1. No category

Pro Terra
No. 61 / 2013
VII Maaperätieteiden päivien abstraktit
Toimittajat
Jaana Leppälammi-Kujansuu, Päivi Merilä, Katri Rankinen, Tapio Salo,
Helena Soinne ja Pekka Hänninen
Toimituskunta
Sessio I Bioenergian tuotannon maaperävaikutukset
Jaana Leppälammi-Kujansuu, Päivi Merilä, Sanna Kanerva ja Marjo
Palviainen
Sessio II MaaManipulaatio
Pekka Hänninen, Mika Kähkönen, Tiina Nieminen ja Helena Soinne
Sessio III Kaavoitus
Kati Hakala, Janne Kankkunen ja Petra Tallberg
SUOMEN MAAPERÄTIETEIDEN SEURA
HELSINGIN YLIOPISTO
ELINTARVIKE- JA YMPÄRISTÖTIETEIDEN LAITOS
Helsinki, 2013
2
SISÄLLYSLUETTELO
Esitelmät
sivu
Viekää sitten vaikka risut ja männyn kävytkin! - Eli mitä metsämaassa
tapahtuu, kun metsistä hankitaan lisää uusiutuvaa energiaa
Hannu Ilvesniemi
9
Miten viljely muokkaa maan ominaisuuksia?
Laura Alakukku
11
Tarjoaako kaupunkimaaperä ekosysteemipalveluita?
Heikki Setälä
12
Sessio I: Bioenergian tuotannon maaperävaikutukset
Kantojen korjuun vaikutukset maaperän biologiaan ja kasvillisuuteen
Jari Haimi, Saana Kataja-aho, Hannu Fritze, Taina Pennanen ja Aino Smolander
14
Hakkuutähteiden korjuun vaikutukset maan ominaisuuksiin
Pekka Tamminen, Anna Saarsalmi, Aino Smolander, Mikko Kukkola ja
Heljä-Sisko Helmisaari
16
Runkopuu- ja kokopuukorjuussa poistuvat ravinnemäärät
Marjo Palviainen ja Leena Finér
18
Päätehakkuussa tehtävän kokopuunkorjuun pitkäaikaisvaikutukset
maaperän ominaisuuksiin OMT –kuusikossa
Lilli Kaarakka, Heljä-Sisko Helmisaari, Pekka Tamminen, Anna Saarsalmi ja
Andrew Burton
20
Orgaanisella maalla tuotetun ruokohelven ilmastolliset vaikutukset
Niina P. Hyvönen, Narasinha J. Shurpali ja Pertti J. Martikainen
22
Raetuhkan vaikutukset koneellisesti istutetun kuusentaimikon maaperään
Jouni Nieminen
23
Sessio II: MaaManipulaatio
Suomen kivennäismaapeltojen maannokset WRB-järjestelmän mukaan
Markku Yli-Halla ja Åge Nyborg
25
Maaperän hiilen vähentyminen suomalaisilla peltomailla 1974-2009
Kristiina Regina, Jaakko Heikkinen, Elise Ketoja ja Visa Nuutinen
27
Happamien sulfaattimaiden haitat ja kartoitus
Peter Edén, Jaakko Auri ja Anton Boman
28
3
Puulajin vaikutus metsikkösadannan, vajoveden ja maaperän
kemialliseen koostumukseen
Antti-Jussi Lindroos, Kirsti Derome ja Aino Smolander
30
Ilmaston lämpenemisen vaikutuksia eteläisen ja pohjoisen suon
32
metanogeeni- ja metanotrofiyhteisöihin
Krista Peltoniemi, Heli Juottonen, Raija Laiho, Mikko Peltoniemi, Timo Penttilä, Henri
Siljanen, Tero Tuomivirta ja Hannu Fritze
Arseenin kulkeutuminen Yara Suomi Oy:n Siilinjärven tehdasalueella
Kaisa Turunen, Soile Backnäs ja Antti Pasanen
34
Mikrobit PAH saasteen indikaattoreina: malliesimerkkinä vanha
36
puukyllästämö kohde Kaakkois-Suomessa
Kim Yrjälä, Pauli Siivonen, Cosme Lloret Quesada, Pertti Pulkkinen ja Shinjini
Mukherjee
Sessio II: Kaavoitus
Euroopan komission ohjeet parhaista käytännöistä rajoittaa,
vähentää tai kompensoida maaperän sulkemista rakentamisella
Teija Haavisto ja Kaarina Laakso
38
Maatalouspolitiikan tarjoamat keinot sopeutua ilmastonmuutokseen
40
Katri Rankinen, Pirjo Peltonen-Sainio, Mikko Laapas, Kalle Sippel, Kirsti Granlund,
Pentti Seuri ja Juha Helenius
Metsätalous ja pohjavesi
Sirpa Piirainen
42
Havaintoja katupuiden kasvualustojen hiilivarastosta
Anu Riikonen
43
Ravinteiden huuhtoutuminen puhdistamolietekomposteista
valmistetuista kasvualustoista
Tapio Salo, Petri Kapuinen ja Ari Kangas
45
ICECREAM-mallin yhdistäminen WSFS-VEMALA-malliin pelloilta
vesistöihin tulevan fosforikuormituksen mallintamiseksi
Vanamo Seppänen ja Markus Huttunen
47
4
Posterit
sivu
Sessio I, Bioenergian tuotannon maaperävaikutukset
Hiedan ja biohiilen kasvualustaseos ei osoittanut haitallisia
vaikutuksia kuusentaimille kasvukammiokokeessa
Juha Heiskanen, Priit Tammeorg ja Kasten Dumroese
49
Saharan eteläpuolisen Afrikan maaperän mikroravinnekartoitus
Riikka Keskinen, Mercy Nyambura, Martti Esala ja Keith Shepherd
51
Liukoisen orgaanisen aineen kemiallinen luonnehdinta ja
raskasmetallipitoisuudet metsätalouskäytössä olevien soiden turvekerroksissa
Oili Kiikkilä, Tiina M. Nieminen, Mike Starr ja Liisa Ukonmaanaho
53
Puutuhkalannoitus lisää koivikon biomassatuotosta suonpohjalla
Jyrki Hytönen ja Lasse Aro
55
Puutuhkalannoituksen vaikutukset turpeen ominaisuuksiin sekä
metaani ja dityppioksidipäästöihin suometsässä
Marja Maljanen, Maarit Liimatainen, Jyrki Hytönen ja Pertti J. Martikainen
57
Puutuhkan vaikutus turpeen hiilidioksidipäästöihin ja puuston
hiilensidontaan ojitetulla rämeellä
Mikko Moilanen, Jyrki Hytönen ja Mirva Leppälä
59
Humuspitoisten vesinäytteiden esisuodatuksen vaikutus kasveille
käyttökelpoisten ravinteiden määrään
Tiina M. Nieminen, Liisa Ukonmaanaho ja Marita Turunen
61
Testimenetelmät uusien orgaanisten lannoitevalmisteiden
lannoitusvaikutuksen määrittämiseen
Tapio Salo, Petri Kapuinen ja Tiina Tontti
63
Hakkuutähteen korjuun pitkäaikainen vaikutus metsämaan orgaanisen
65
aineen laatuun
Aino Smolander, Bartosz Adamczyk, Veikko Kitunen, Mikko Kukkola ja Pekka
Tamminen
Symbionttiset juuristosienet ja kuusentaimien kasvu
Irmeli Vuorinen, Sannakajsa Velmala, Tiina Rajala, Tuula Piri ja Taina Pennanen
5
66
Sessio II, MaaManipulaatio
Arseenin geokemiaa Kittilän Suurikuusikon kultakaivoksen ympäristössä
– Luontainen vs. antropogeeninen kuormitus
Soile Backnäs, Kaisa Turunen ja Antti Pasanen
68
Männyn juurakoiden hajotusdynamiikka metsäojitetulla suolla
Tiina Badorek, Soili Kojola, Raija Laiho, Kari Minkkinen ja Timo Penttilä
70
Fluatsinamin käyttäytyminen maassa
Kati P. Hakala, Päivi Tuomainen, Markku Yli-Halla ja Helinä Hartikainen
72
Arvio Lammin Pääjärven valuma-alueen puuston ja maaperän hiilen määrästä
Markus Hartman, Mike Starr ja Liisa Ukonmaanaho
74
Männyn ektomykorritsasienten vaikutus kasvin fotosynteesiin
Jussi Heinonsalo, Eija Juurola, Aki Linden ja Jukka Pumpanen
75
Vanhojen metsäojitusalueiden kiintoainekuormituksen jatkuvatoiminen seuranta
Pia Högmander ja Päivi Saari
76
Kasvidiversiteetin vaikutus denitrifikaatioon, dityppioksidipäästöön ja
mikrobiyhteisöihin maatalousmaassa
Heli Juottonen, Brendan O’Neill, Tracy Teal, Stuart Grandy ja Thomas Schmidt
78
Mikrobeille helppokäyttöisen hiilen vaikutus boreaalisen metsämaan typen
kierron prosesseihin
Sanna Kanerva, Tapio Kotiaho, Veikko Kitunen ja Aino Smolander
80
Orgaanisten lannoitevalmisteiden käyttö kevätvehnän kasvinravitsemuksessa
Petri Kapuinen
82
Artificial stimulation of soil amine production by addition of organic carbon
84
and nitrogen transforming enzymes
Antti-Jussi Kieloaho, Jevgeni Parshintsev, Marja-Liisa Riekkola, Markku Kulmala, Jukka
Pumpanen ja Jussi Heinonsalo
Nanohopean, nanogalliumin ja nanoindiumin vaikutus sienten kasvuun ja
entsyymien tuottoon
Beata Kluczek-Turpeinen, Annele Hatakka ja Mika A. Kähkönen
86
Laskeutusallas-kosteikosta poistettavan sedimentin peltolevitys
Johanna Laakso, Risto Uusitalo ja Markku Yli-Halla
88
Tulevaisuuden maaperän muodostuminen merenpohjan sedimenteistä
Olkiluodon ympäristössä
Anne-Maj Lahdenperä ja Ari Ikonen
90
Maaperän pitkäaikaisen lämmittämisen ja ravinteiden lisäämisen vaikutukset
92
kuusen hienojuuriin sekä kariketuotantoon
Jaana Leppälammi-Kujansuu, Maija Salemaa, Dan Berggren Kleja, Sune Linder ja HeljäSisko Helmisaari
6
Ojitettujen turvemaiden N2O-päästöjen, maaperän ominaisuuksien ja
mikrobiologisten prosessien yhteys
Maarit Liimatainen, Pertti J. Martikainen ja Marja Maljanen
93
Maaveden nitraattipitoisuuden nouseva trendi kuusikossa alhaisen
typpilaskeuman alueella
Päivi Merilä, Kirsti Derome Antti-Jussi Lindroos, Seppo Nevalainen, Maija Salemaa ja
Tiina M. Nieminen
95
Turvetuotannossa olleen sulfaattimaapohjaisen pellon ominaisuuksia
Jaakko Mäkelä ja Markku Yli-Halla
96
Toimintamalli orgaanisten lannoitevalmisteiden ja biostimulanttien vaikutusten
98
arvioimiseksi kasvien kasvuun ja ravitsemukseen
Ansa Palojärvi, Sanna Kukkonen, Mauritz Vestberg, Liisa Maunuksela, Päivi Parikka ja
Tapio Salo
Sijaintipaikka, maan syvyys vai maataloustoimenpiteet - mikä vaikuttaa
peltomaan mikrobiyhteisöihin?
Timo Sipilä, Kim Yrjälä, Laura Alakukku ja Ansa Palojärvi
99
Metsäojitetun suon ennallistamisen mikrobiologiset indikaattorit
Anuliina Putkinen, Heli Juottonen, Eeva-Stiina Tuittila, Krista Peltoniemi, Anne
Tolvanen, Tero Tuomivirta, Kim Yrjälä ja Hannu Fritze
100
Maatalouden menetelmien hiilensidonta kahdella tutkimusalueella Etiopiassa
Karoliina Rimhanen, Helena Kahiluoto, Markku Yli-Halla ja Elise Ketoja
102
Maan fosforitilan muutokset pitkäaikaisessa viljelyssä
Into Saarela
104
Maan voimakkaan tiivistämisen pitkäaikaiset vaikutukset hietasavimaan
muokkauskerroksen kaasunkuljetusominaisuuksiin
Asko Simojoki, Minna Mäkelä ja Laura Alakukku
106
Maankäytön ja orgaanisen hiilen vaikutus savimaan mururakenteen kestävyyteen
Helena Soinne Jari Hyväluoma ja Eila Turtola
108
Voidaanko happamien sulfaattimaiden kuormitusta vähentää säätämällä
110
pohjaveden pinnan tasoa?
Jaana Uusi-Kämppä, Kristiina Regina, Seija Virtanen, Peter Österholm, Merja Mäensivu,
Rainer Rosendahl, Markku Yli-Halla, Kari Ylivainio ja Eila Turtola
Happaman sulfaattimaan valumaveden asiditeetti ja alumiinipitoisuudet
lysimetrikokeessa ja Söderfjärdenin koekentällä
Seija Virtanen, Asko Simojoki, Jaana Uusi-Kämppä, Peter Österholm ja Markku YliHalla
7
112
Sessio III, Kaavoitus
Changes in Nitrogen and Phosphorus Concentration and Loads between
1985-2006 in 22 Finnish Rivers
José Enrique Cano Bernal and Katri Rankinen
114
Ihmisen toiminnan vaikutuksia pinta- ja pohjaveden sähkönjohtavuuteen ja
lämpötilaan
Pekka Hänninen, Janne Kankkunen, Juha Majaniemi ja Raimo Sutinen
116
Östersundomin Husövegenin EM routaseuranta talvella 2012
Pekka Hänninen ja Juha Majaniemi
118
Bakteeri-bioreportterit: Helppo ja nopea menetelmä haitta-aineiden
biosaatavan fraktion määrittämiseksi maasta
Johanna Muurinen ja Marko Virta
120
Alfaproteobakteerit maaperässä: miten ne ovat valmistautuneet
hiilivetysaasteisiin
Sajan C. Raju, Shinjini Mukherjee ja Kim Yrjälä
122
Luikonlahden kaivosalueen hydrologinen mallintaminen
Antti Pasanen, Lauri Solismaa, Soile Backnäs ja Pekka Forsman
124
DOCin vaihtelu rantavyöhykkeeltä puroveteen eri maankäyttöalueilla
Liisa Ukonmaanaho, Martin Forsius, Lauri Arvola, Markus Hartman ja Mike Starr
126
8
Viekää sitten vaikka risut ja männyn kävytkin! - Eli mitä metsämaassa
tapahtuu, kun metsistä hankitaan lisää uusiutuvaa energiaa
Hannu Ilvesniemi
Metsäntutkimuslaitos, PL 18, 01301 Vantaa, [email protected]
Suomen kallioperän ikä ja geologisten ilmiöiden aikataulu on arkikokemukselle
käsittämättömän pitkä, kallioperämme vanhimpien kivettyneiden mineraalien ikä kun voi olla
jopa 3,1 miljardia. Peruskallion päällä oleva maaperämme on kallioperäämme verrattuna
hyvin nuorta, mutta kuitenkin noin 10 000 vuotta. Geologisten ilmiöiden rinnalla monet
ihmisen aikaansaamat muutokset, myös kokopuun korjuun aiheuttamat, ovat aika pieniä.
Ihmiskunnan käyttämän energian määrä on lisääntynyt viimeisten kahden vuosisadan ajan
kiihtyvällä nopeudella. Valtaosa siitä on tuotettu fossiilisilla polttoaineilla. Palamisessa
vapautuva hiilidioksidi lisää ilmakehän kykyä pidättää lämpösäteilyä, ja sen seurauksena
maapallon ilmasto muuttuu. Yhtenä ratkaisuna energiahuollon sekä ilmastonmuutoksen
muodostaman ongelmakokonaisuuden hallitsemiseen on esitetty biomassojen laajamittaista
hyödyntämistä energian raaka-aineena.
Suomen metsät kasvavat runkopuuta vuodessa noin sata miljoonaa kuutiometriä. Jos puuston
koko nykyinen vuotuinen kasvu käytettäisiin energiantuotantoon, sillä voitaisiin korvata noin
puolet vuotuisesta energian kokonaiskäytöstämme. Metsistä teollisuuden sivutuotteena
saatavan energian lisäksi Suomen tavoitteena on lisätä pienpuuna, hakkuutähteinä ja kantoina
saatavan bioenergian käyttöä nykyiseltä 7,5 miljoonan kuutiometrin tasolta kaksinkertaiseksi
vuoteen 2020 mennessä.
Metsien käsittely vaikuttaa kasvillisuuden määrään ja lajistoon, joka puolestaan vaikuttaa
maan orgaanista ainesta synnyttävän karikkeen määrään ja laatuun ja mahdollisesti myös
rapautumisolosuhteisiin. Maannokseen energiapuun korjuutoimenpiteistä vaikuttaa
voimakkaimmin kantojen nosto, joka yhdessä uudistamisalalle tehtävän maanmuokkauksen
kanssa rikkoo mekaanisesti maannoksen yläosan kerrosrakenteen varsin suurelta osalta
hakkuualaa. Avohakkuu vähentää metsien vettä haihduttavan lehvästön määrää ja lisää sen
seurauksena maan kosteutta. Kokopuun korjuun vaikutukset maan vesitalouteen ilmenevät
haihduttavan kasvillisuuden muutosten, maanpinnan rikkoutumisen ja lisääntyneen koneilla
tapahtuvan liikkumisen aiheuttamia uria myöten tapahtuvan pintavalunnan lisääntymisen
kautta. Kohteen asema rinteessä vaikuttaa merkittävästi veden liikenopeuteen ja liikkuvan
veden aiheuttamaan eroosioon.
Merkittävä osa kasvillisuuteen sitoutuneesta typestä on kasvien vihreissä osissa. Jos
kokopuun korjuu kohdistuu myös neulasiin ja lehtiin, merkittävä osa tästä kasveille
hajotuksen kautta käyttökelpoisesta typpivarastosta poistuu kasvupaikalta. Suomalaisissa
metsäekosyteemeissä kasveille käyttökelpoisen typen määrä vaikuttaa varsin suoraviivaisesti
kasvuun ja sen myötä myös metsien hiilen sidontaan.
Maaveteen liuenneet ravinteet, jotka eivät kationinvaihdossa sitoudu maahan tai joita kasvit
eivät ota, voivat huuhtoutua pohjaveteen ja vesistöihin. Jos energiapuun korjuun yhteydessä
korjataan myös kasvin vihreitä osia, kasvupaikalle jäävien ja huuhtoutumisriskissä olevien
ravinteiden määrä ja samalla myös metsien kasvu alenee. Metsien kestävän käytön kannalta
onkin tärkeää käyttää ja kehittää korjuutapoja, joissa metsiin jätetään ravinnerikkaimmat
vihreät kasvinosat, jolloin korjuun vaikutukset metsien kasvuun jäävät vähäisemmiksi.
Hakkuutähteiden korjuu vähentää kasveille käytettävissä olevan typen määrää ja typestä
hyötyvien lajien, kuten maitohorsman ja vadelman, kasvua. Se vapauttaa kasvutilaa muille
kasvilajeille. Metsien ravinnetalouden ylläpitämiseksi poltossa syntyvän tuhkan kierrättämistä
9
takaisin metsiin tulee myös lisätä. Kantopuun korjuu energiakäyttöön tulee tehdä
menetelmillä, joissa maan pintaa rikotaan mahdollisimman vähän. On luultavaa, että kantojen
nosto vaikuttaa myös lahopuusta riippuvaisten hyönteisten määriin, koska se vähentää
suuriläpimittaisen lahoavan puun määrää metsässä. Lahopuun väheneminen on merkittävin
yksittäinen talousmetsien monimuotoisuutta vähentävä tekijä.
Metsien tulevaa kasvua kuvaavat skenaariolaskelmat osoittavat, että jos jatkamme metsien
hoitoa ja käyttöä nykyisten käytäntöjen mukaisesti, metsiemme puuvarannot kasvavat myös
tulevaisuudessa. Samalla metsämme tihentyvät ja ikääntyvät. Puustopääoma nousee
nykyisestä 2,2 miljardista kuutiometristä yli 3 miljardiin kuutiometriin, ja jopa
intensiivisimmässä metsien käyttövaihtoehdossa metsien hiilinielu säilyy.
Nykyoloissa metsiemme hiilitase on selvästi positiivinen, eli metsät sitovat kasvavaan
puustoon ilmakehästä hiilidioksidia enemmän kuin sitä vapautuu takaisin ilmakehään
hajotuksen ja metsien käytön seurauksena. Metsien hiilen sidonta kattaa keskimäärin noin 40
% Suomen nykyisistä vuotuisista kasvihuonekaasupäästöistä.
Ilmastonmuutos
todennäköisesti kasvattaa metsiemme hiilinielua, koska puiden kasvu ja kariketuotos
lisääntyvät enemmän kuin karikkeen hajotus.
Johtopäätöksiä
Suomen energia- ja ilmastopolitiikassa metsille asetetut korkeat tavoitteet ovat saavutettavissa
sekä uusiutuvan energian tuotannon että ilmastonmuutoksen hillinnän näkökulmasta.
Käytännön metsätaloudessa on huomioitava lisääntyvästä bioenergian käytöstä aiheutuvat
riskit metsien kasvun ja metsätuhojen osalta asianmukaisella suunnittelulla ja toteutuksella.
Puubiomassan tuotantoa ja käyttöä on mahdollista kasvattaa ilman että metsien hiilinielua ja
luonnon monimuotoisuutta vaarannetaan.
Koska pitkällä aikavälillä tapahtuvia suuriakin muutoksia on vaikea havaita, on myös
tulevaisuudessa huolehdittava metsien tilan seurannasta. Vain siten pystymme reagoimaan
uhkiin ennen kuin ongelmat laajenevat hallitsemattomiksi.
Taustalukemistoa:
- Asikainen, Antti, Ilvesniemi, Hannu, Sievänen, Risto, Vapaavuori, Elina & Muhonen, Timo (toim.)
Bioenergia,
ilmastonmuutos
ja
Suomen
metsät,
http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2012/mwp240.htm
- Kuusinen,
M.
ja
Ilvesniemi,
H.
T
Energiapuun
korjuun
ympäristövaikutukset:
http://www.metsavastaa.net/raportti
milj. t CO2
100
AH
80
MT
60
SK
40
AH+CC
20
MT+CC
0
2000
SK+CC
2020
Vuosi
2040
Kuva 1. Metsien hiilinielu vuosina lähivuosikymmeninä erilaisissa metsien käyttöä kuvaavissa
skenaariolaskelmavaihtoehdoissa. AH skenaariossa puun käyttö on nykytasoa vähäisempää, MT skenaariossa
ainespuun hakkuut ovat nykytasolla, ja metsähaketta käytetään enemmän kuin uusiutuvan energian velvoitepaketti
edellyttää ja SK skenaariossa metsiä hakataan täysimääräisesti suurimman kestävän hakkuutason mukaisesti, ja
metsähakkeessa ylitetään uusiutuvan energian velvoitepaketin taso. Katkoviiva merkitsee, että IPCC:n A1B
skenaarion mukaiset vuoden keskilämpötilan, sadannan ja ilman hiilidioksidikonsentraation muutokset on otettu
laskelmassa huomioon. Vihreät neliöt ovat kasvihuonekaasuinventaariossa vuosille 2000-2008 raportoidut arvot.
Lähde:http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2012/mwp240.htm
10
Miten viljely muokkaa maan ominaisuuksia?
How does cultivation till soil properties?
Laura Alakukku
Helsingin yliopisto, Maataloustieteiden laitos, Koetilantie 5, 00014 Helsingin yliopisto
Viljelytoimet ja niiden yhteydessä tehtävät valinnat vaikuttavat peltomaan fysikaalisiin,
kemiallisiin ja biologisiin ominaisuuksiin. Suurin muutos maan ominaisuuksissa on kuitenkin
tapahtunut todennäköisesti silloin, kun luonnontilainen maa on otettu viljelyyn. Muun muassa
kuivatus, kalkitus, lannoitus, muokkaus, peltoliikenne ja kasvinvuorotuksessa tehtävät
valinnat vaikuttavat maaprofiilin ominaisuuksiin. Tässä esityksessä tarkastellaan, miten
kuivatus, muokkaus ja tiivistäminen vaikuttavat peltomaan ominaisuuksiin ja toimintoihin,
kuinka syvälle vaikutukset ulottuvat ja kuinka pitkäaikaisia ne ovat.
Viljelykasvit eivät kasva ja pellon viljely on hankalaa, jos maa on jatkuvasti märkää.
Suomessa kevät- ja syyssateet ovat suuria verrattuna haihduntaan. Toimiva perus- ja
paikalliskuivatus ovat tärkeitä, jotta kylvötöihin päästään aikaisin, pellot kantavat
sadonkorjuun aikaan ja maan ilmanvaihto toimii sateisenakin kasvukautena.
Maannostutkimuksen yhteydessä on todettu, että salaojitus on vaikuttanut ratkaisevasti
suomalaisten savimaiden kehitykseen kuivattaessaan maata syvemmältä kuin se
luonnontilaisessa savimaassa olisi todennäköisesti tapahtunut eli noin metrin syvyyteen.
Jäykkiin savimaihin on muodostunut prismamainen rakenne kuivumisen ja sitä seuranneen
kutistumisen myötä.
Mekaaninen muokkaus luo maahan makrohuokosia ja rikkoo kokkareita pienemmiksi
muruiksi. Samalla se kuitenkin rikkoo maan luontaisen rakenteen, sekoittaa kivennäis- ja
eloperäistä ainesta ja muuttaa eliöstön elinolosuhteita. Liian voimakas muokkaus huonontaa
maan rakennetta. Se lisää liettymisen, kuorettumisen ja eroosion riskiä sekä kiihdyttää
helposti hajoavan eloperäisen aineksen mikrobiologista hajotusta.
Kynnettäessä maan ominaisuudet ovat samanlaiset suuremassa maatilavuudessa kuin
sänkimuokattaessa tai suorakylvettäessä (kasvuston perustaminen esikasvin sänkeen). Kyntö
kuohkeuttaa pintamaata ja lisää sen hetkellistä veden varastointikykyä, mikä vähentää
pintavalunnan riskiä, kun pohjamaa läpäisee vettä hitaasti. Mittausten mukaan kynnetyn
savimaan lämpötilan vaihtelut ovat suurempia ja nopeampia kuin suorakylvetyn maan.
Muokkaussyvyyden madaltaminen on vaikuttanut myös muihin maan ominaisuuksiin. Kun
muokkaussyvyys kenttäkokeissa madaltui, eloperäisen aineksen ja kasveille käyttökelpoisen
fosforin pitoisuus pintamaassa kasvoi kynnettyyn maahan verrattuna. Suorakylvetyssä maassa
mikrobiyhteisön rakenne oli 0–5 senttimetrin syvyydessä erilainen kuin 10–20 senttimetrissä.
Kynnetyssä maassa näytteenottosyvyys ei vaikuttanut merkittävästi mikrobiyhteisön
rakenteeseen. Kynnöstä luopumisen on todettu muuttavan myös lierolajistoa. Kasvustojätettä
maan pinnalta syövät lierolajien, etenkin onki- ja kastelieron, osuus lierostosta kasvoi
kevennettäessä muokkausta.
Maa voi tiivistyä haitallisesti, kun pellolla ajetaan raskailla koneilla maan ollessa märkää.
Tiivistyminen pienentää maan makrohuokosten tilavuutta ja myös katkoo jatkuvia huokosia,
mikä voi haitata mm. veden ja ilman liikkumista märässä maassa. Muokkauskerroksen
alapuolella tiivistymä on säilynyt mitattavana ruotsalaisessa karkeassa maassa 15 vuotta ja
suomalaisessa savimaassa 30 vuotta. Tiivistynyt märkä pohjamaa läpäisi ilmaa selvästi
hitaammin kuin tiivistämätön.
11
Tarjoaako kaupunkimaaperä ekosysteemipalveluita?
Do urban soils provide ecosystem services?
Heikki Setälä
Helsingin yliopisto, ympäristötieteiden laitos, ympäristöekologian osasto, Niemenkatu 73,
15140 Lahti, [email protected]
Taustaa
Urbanisaatio on maailmanlaajuinen megatrendi, jonka näkyvimmät vaikutukset kytkeytyvät
maankäyttöön. Koska maankäyttö (land use) tarkoittaa käytännössä samaa kuin maaperän
käyttö (soil use), kaupungistumisen ongelmat ja niiden ratkaisut ovat paitsi kaavoittajien
myös maaperätutkijain intressipiirissä. Viimeaikoina virinnyt keskustelu luonnon
ekosysteemipalveluista on herättänyt myös kaupunkitutkijat, joskin päämielenkiinto on
kohdistunut lähinnä puistojen kykyyn parantaa kaupunki-ilman laatua [1]. Vähemmälle
huomiolle ovat jääneet kaupunkimiljöölle tyypillisen maaperän pinnoittamisen vaikutukset
maaperän toimintaan ja ekosysteemipalveluihin. Maaperätutkijoiden piirissä maaperä
käsitetään yleisesti resurssiksi, jolla on hajotustoiminnan ja ravinnekierron kautta suora
kytkös tuotantopalveluihin, kuten perustuotantoon. Rakennetuissa kaupunkiekosysteemeissä
maaperän rooli on erilainen liittyen lähinnä veden kiertoon liittyviin sääteleviin
ekosysteemipalveluihin. Tunnetuimpana esimerkkinä lienee kaupunkimaaperän heikentynyt
kyky vastaanottaa sadevettä (imeytymiseen liittyvät ongelmat) ja siitä aiheutuvat
kaupunkitulvat ja heikentynyt pinta- ja pohjavesien laatu. Näissäkin ekosysteemipalveluihin
liittyvissä ongelmissa maaperän merkitys konkretisoituu elävän, ”vapaasti hengittävän”
maaperän häviämisenä.
Esitän seuraavaksi muutamia kaupungistuneiden valuma-alueiden maaperään liittyviä
tutkimuksia, joissa tavoitteena oli selvittää häiriöityneen kaupunkimaaperän kykyä toimittaa
ekosysteemipalveluja.
Maankäytön intensiteetti, veden kierto ja maaperän ekosysteemipalvelut
Hulevesiä, maan pintaa pitkin valuvia sadevesiä, voidaan käyttää indikaattorina tutkittaessa
valuma-alueen maankäytön (häiriöitymisen) vaikutuksia veden kiertoon. Voidaan esittää
hypoteesi: mitä häiriöityneempi maaperä on sitä runsaammin hulevesiä muodostuu ja sitä
heikompilaatuisia ne ovat. Hypoteesia tutkittiin kuudella maankäytön intensiteetiltään
vaihtelevilla valuma-alueilla Helsingissä ja Lahdessa kahden vuoden ajan. Valuma-alueiden
pinnoitetun maanpinnan osuus vaihteli 90% (ydinkeskusta, intensiivinen maankäyttö) ja 15%
(omakotitaloalue, vähäinen maankäyttö) välillä. Hulevesien määrää ja laatua mitattiin
jatkuvatoimisesti hulevesiasemilla, jotka sijoitettiin hulevesiviemäreihin. Hypoteesin
mukaisesti elävän, pinnoittamattoman maaperän (puistot, kaupunkimetsät, nurmikot)
osuudella oli selvä vaikutus valuma-alueelta poistuvan veden määrään ja laatuun. Mitä
suurempi oli pinnoittamattoman, ”luonnollisen” maaperän osuus, sitä vähemmän vettä poistui
valuma-alueelta ja sitä parempi laatuista (ravinteiden, raskasmetallien, hiilen, kiintoaineen
määrä) vesi oli. Tutkimus osoitti kaupunkimaaperällä olevan selkeä rooli
ekosysteemipalvelujen tuottajana [2].
Kasvillisuuden rakenteen vaikutus kaupunkimaaperän ekosysteemipalveluihin
Hulevesitutkimukset osoittivat kuinka ihmistoimien rasittaman maaperän kyky tuottaa
ekosysteemipalveluja heikkenee maaperän häiriöasteen kasvamisen myötä. Voiko jäljelle
jäävää, rakentamatonta maaperää käyttää järkevästi niin, että hulevesiin liittyviä ongelmia
voidaan lieventää? Voidaanko puistojen ja nurmien, tienpenkkojen ja muiden
päällystämättömien alueiden maaperää hyödyntää ”ekosysteemipalvelukeitaina”? Onko
kasvillisuuden laadulla/ määrällä vaikutusta kaupunkialueille tyypillisten, veden mukana
kulkeutuvien saastukkeiden pitoisuuksiin? Näitä kysymyksiä ratkottiin kokeellisesti
12
maaperään kaivettujen valuvesiä keräävien lysimetrialtaiden avulla Lahdessa kahdella
eriasteisesti urbanisoituneella alueella. Hypoteesina oli että – riippumatta maaperän
rakenteesta – hitaasti hajoavaa kariketta tuottavat kasvit (havupuut ja varvut) muodostavat
maaperään sienipohjaisen hajottajaravintoverkon joka imee vettä ja pidättää ravinteita
tehokkaasti. Toisaalta nopeasti hajoavaa, ”hyvälaatuista” kariketta tuottavat heinät ja ruohot
stimuloivat bakteerivaltaisen ravintoketjun syntymistä maaperään, jonka kyky pidättää
ravinteita on heikko. Kahden vuoden seurannan aikana havaittiin – hypoteesien mukaisesti –
että havupuut ja varvut stimuloivat sienivaltaisen hajottajaravintoverkon muodostumista
maaperään bakteerivaltaisen hajottajaravintoverkon kustannuksella. Oletusten mukaisesti
sienivaltainen kaupunkimaaperä pidätti sadevettä ja siihen liuenneita ravinteita paremmin
kuin kasviton kontrollimaaperä tai heiniä ja varpuja kasvava, bakteerivaltainen maaperä.
Myös hajottajaravintoverkon mikrobeja ja kariketta hyödyntävän trofiaportaan rakenne
vaihteli kasvilajiston mukaan [3].
Päätelmät
Vaikka valtaosa kaupunkien maaperästä on pinnoitettu vettä läpäisemättömillä materiaaleilla,
pinnoittamattomilla, ”vapaasti hengittävillä” maaperälaikuilla voi olla merkittävä vaikutus
ekosysteemipalveluiden tuottajina. Pienelläkin laikulla voi olla merkitystä esimerkiksi
hulevesien imeyttäjinä – erityisesti silloin, kun niitä esiintyy tasaisesti eri puolilla valumaaluetta. Laikkujen tehokkuutta ekosysteemipalveluiden tuottajina voidaan parantaa
vaikuttamalla niiden kasvillisuuteen ja sen rakenteeseen. Kasvien ja maaperän välinen
palautejärjestelmä (plant – soil feedback) osoitettiin toimivaksi myös kaupunkimaaperässä,
jossa eloperäisen aineen osuus on hyvin vähäinen. Tutkimuksemme osoittivat, että
ihmistoimien muokkaama ja häiriöittämä kaupunkimaaperä voi tuottaa asukkaiden
hyvinvointia tukevia ekosysteemipalveluita, mikäli osa valuma-alueiden maaperästä on
pinnoittamatonta.
Kirjallisuus
[1] Setälä, H. Viippola, V. Rantalainen, A-L. Pennanen, A. and Yli-Pelkonen, V. 2012. Urban
vegetation has little influence in mitigating air pollution in northern conditions.
Environmental Pollution (accepted)
[2] Valtanen, M. Sillanpää, N and Setälä, H. 2012. Effects of land use intensity on stormwater
runoff and its temporal occurrence in cold climates. Hydrological Processes (accepted).
[3] Vauramo, S. and Setälä, H. 2010. Urban belowground food-web responses to plant
community manipulation – impacts on nutrient dynamics. Landscape and Urban Planning 97:
1-10.
13
Kantojen korjuun vaikutukset maaperän biologiaan ja kasvillisuuteen
Effects of stump removal on soil biology and vegetation
Jari Haimi1, Saana Kataja-aho1, Hannu Fritze2, Taina Pennanen2 ja Aino Smolander2
1
2
Bio- ja ympäristötieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto, [email protected]
Metsäntutkimuslaitos, Vantaan toimipaikka
Johdanto
Kantojen korjuu on vakiintumassa Suomessa merkittäväksi biopolttoaineen hankintatavaksi.
Kantoja korjataan lähinnä kuusivaltaisilta aloilta päätehakkuun jälkeen kaivinkoneisiin
liitetyillä ja tarkoitukseen kehitetyillä kauhoilla. Korjuuteknologia on kehittynyt
huomattavasti viimeisten vuosien aikana, ja kannot saadaan irrotettua maasta aiheuttamalla
aiempaa rajoitetumpia vaurioita metsämaalle. Toiminta on silti voimaperäisesti maan
rakennetta rikkovaa eikä sen ympäristövaikutuksia tunneta vielä läheskään riittävästi.
Tämän tutkimushankkeen tavoitteena on ollut selvittää miten kantojen korjuu vaikuttaa
suomalaisen metsämaaperän hajottajaeliöyhteisöön ja hakkuualan kasvillisuuteen
ensimmäisen kymmenen vuoden aikana. Tämän lisäksi hankkeessa on tutkittu kantojen
korjuun vaikutuksia maaperän ravinnetalouteen, maaperästä vapautuvien kasvihuonekaasujen
määriin, uudistusalalle istutettujen puuntaimien kasvuun sekä taimien sienijuurten
kehittymiseen. Tutkituilla hajottajaeliöillä (mikrobit, mikro- ja makroniveljalkaiset sekä
sukkula- ja änkyrimadot) ovat keskeinen rooli metsäekosysteemin toiminnassa, sillä ne
ylläpitävät elintoimintojensa ja vuorovaikutustensa kautta eloperäisen aineen hajotusta ja
ravinteiden kiertoa. Hajottajien toiminnan myötä ravinteet vapautuvat kuolleesta eloperäisestä
aineesta uudelleen kasvien käytettäväksi. Tämän takia maaperässä tapahtuvat muutokset
heijastuvat helposti hajottajien runsauden, monimuotoisuuden ja toiminnan kautta koko
ekosysteemin toimintaan. Kannot tarjoavat elinpaikan myös monille lahopuusta suoraan
riippuvaisille selkärangattomille eläimille ja suurelle joukolle erilaisia sieniä.
Aineisto ja menetelmät
Tutkimuksessamme verrattiin kannonkorjuualojen hajottajaeliöyhteisöjä ja alueelle hakkuiden
jälkeen kehittyvää kasvillisuutta perinteisesti laikkumätästettyjen hakkuualojen (kontrollien)
eliöstöön käsittelyistä kuluneiden ensimmäisten vuosien aikana. Tutkittavat metsiköt
sijaitsevat Keski-Suomessa Jyväskylän, Jämsän ja Oriveden kuntien alueilla, ja ne ovat
hyvätuottoisia moreenimailla kasvavia kuusivaltaisia kangasmetsiä. Kaikilta tutkimusaloilta
kerättiin noin 70 % hakkuutähteistä ennen muita käsittelyitä. Kannot kerättiin joko koko
avohakkuualalta tai joissakin tapauksissa osalta hakkuualaa, jolloin jäljelle jäävä hakkuuala
laikkumätästettiin (ja se toimi tutkimuksessa kontrollina). Kantojenkorjuualat
täydennyslaikutettiin tarvittaessa. Ensimmäiset tutkimusalat käsiteltiin vuonna 2001 ja
viimeiset 2005. Vertailukohteena mittauksissa käytettiin myös hakkuukypsiä metsiä.
Käsittelyissä paljastuneen mineraalimaan laajuus arvioitiin kummallakin käsittelytavalla
mahdollisimman pian käsittelyiden jälkeen. Maaperäeläimet eroteltiin laboratoriossa kullekin
ryhmälle sopivalla menetelmällä kaksi kertaa vuodessa (touko- ja syyskuu) maastosta
kerätyistä maanäytteistä. Lisäksi maanpinnalla aktiivisesti liikkuvista selkärangattomista
eläimistä kerättiin näytteet kuoppapyydysmenetelmällä. Eläinnäytteet otettiin erikseen ehjäksi
jääneeltä maapinnalta ja paljastuneesta mineraalimaasta. Lisäksi maanäytteitä kerättiin
vuonna 2005 käsitellyiltä aloilta ravinneanalyysejä varten sekä tehtiin kaasumittauksia
kammiomenetelmää käyttäen. Kenttä- ja pohjakerrosten kasvillisuus inventoitiin
tutkimusaloilla vuosittain heinäkuussa.
14
Tulokset ja niiden tarkastelu
Itse kantojenkorjuulla ei havaittu olevan merkittäviä ja pysyviä vaikutuksia hajottajaeliöstöön
käsittelyistä kuluneiden ensimmäisten vuosien aikana, kun verrattiin ehjäksi jäänyttä
metsämaata tai paljastunutta mineraalimaata kantojenkorjuualojen ja laikkumätästettyjen
alojen välillä. Änkyrimatojen yksilömäärät olivat (sekä ehjäksi jääneessä maassa että
mineraalimaassa) pienempiä kantojenkorjuualoilla verrattuna laikkumätästettyihin aloihin.
Toisaalta kantojenkorjuu selkeästi lisäsi mineraalimaan typen määrää sekä typen
mineralisaatiota ja nitrifikaatiota verrattuna laikkumätästykseen. Myös mikrobiston
aktiivisuus (hiilidioksidituotto) oli korkeampi kantojenkorjuualoilla. Nämä vaikutukset olivat
kuitenkin lyhytaikaisia.
Kantojenkorjuualoilla paljastuneen mineraalimaan osuus oli keskimäärin 70 % maa-alasta,
kun laikkumätästetyillä aloilla osuus jäi n. 40 %:iin. Kantojen korjuu aiheutti siten selkeästi
isomman häiriön metsämaaperälle kuin pelkkä laikkumätästys. Kun käsittelyissä
rikkoutuneen maanpinnan laajuus otettiin huomioon, kantojen korjuu vähensi merkittävästi
kaikkien hajottajaeliöryhmien määriä hakkuualalla. Tämä johtuu siitä, että mineraalimaa on
selvästi heikkolaatuisempi elinympäristö useimmille hajottajaeliöille, ja siksi siinä elää
selvästi vähemmän eliöitä kuin ehjäksi jääneessä maassa [1]. Jo pelkkä avohakkuu on
huomattava häiriö metsämaan eliöstölle, se muuttaa hajottajaeliöstön elinympäristöä ja sitä
kautta eliöstön runsautta ja monimuotoisuutta, ja edelleen maan ravinnetaloutta [2]. Tässäkin
tutkimuksessa esimerkiksi hyppyhäntäisten ja hämähäkkien yhteisörakenne sekä
muurahaisten lajirunsaus poikkesivat selkeästi verrattaessa avohakkuualoja hakkaamattomaan
metsään. Hajottajaeläinyhteisö muuttui myös hakkuualan ikääntyessä. Kasvillisuus oli sen
sijaan
runsaampaa
ja
monimuotoisempaa
kantojenkorjuualoilla
verrattuna
laikkumätästettyihin aloihin [3]. Voimakkaampi maan muokkautuminen ja suurempi
paljastuneen mineraalimaan määrä kannonnostoaloilla mahdollistivat sekä tehokkaamman
maaperän siemenpankin aktivoitumisen että alueelle kulkeutuvien siementen paremman
itämisen.
Kokonaisia hakkuualoja tarkasteltaessa voidaan selkeästi todeta, että vaikka useimmat
hajottajaeliöryhmät eivät maaperästä kantojen korjuun seurauksena häviäkään, niin
hajotustoiminta maassa muuttuu, koska hajottajia on kantojenkorjuualoilla vähemmän kuin
laikkumätästetyillä aloilla. Tämä on vakavasti otettava riski, kun tarkastellaan vaikutuksia
metsämaan ravinnetalouteen ja esimerkiksi puiden kasvuun pidemmällä aikavälillä. Lisäksi
on syytä huomioida myös ravinteiden kohonnut huuhtoutumisriski kantojenkorjuualoilla.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kantojenkorjuun maaperän eliöstölle ja sen toiminnalle
aiheutuvat vaikutukset voitaisiin minimoida minimoimalla korjuussa rikkoutuneen maaperän
laajuus.
Kirjallisuus
[1] Siira-Pietikäinen, A., Haimi, J., and Fritze, H. 2003. Organisms, decomposition, and
growth of pine seedlings in boreal forest soil affected by sod cutting and trenching. Biol.
Fertility Soils 37: 163-174.
[2] Siira-Pietikäinen, A. and Haimi J. 2009. Changes in soil fauna 10 years after forest
harvestings: Comparison between clear felling and green-tree retention methods. – Forest
Ecology and Management 258: 332-338.
[3] Kataja-aho, S., Fritze, H. and Haimi, J. 2011. Short-term responses of soil decomposer and
plant communities to stump harvesting in boreal forests. - Forest Ecology and Management
262: 379-388.
15
Hakkuutähteiden korjuun vaikutukset maan ominaisuuksiin
The effect of logging residue harvesting on soil properties
Pekka Tamminen1, Anna Saarsalmi1, Aino Smolander1, Mikko Kukkola1, Heljä-Sisko
Helmisaari2
1 Metsäntutkimuslaitos, PL 18, (Jokiniemenkuja 1), 01301 Vantaa
2 Metsätieteiden laitos, PL 27 (Latokartanonkaari 7), 00014 Helsingin yliopisto
Hakkuutähteitä hyödynnetään biopolttoaineena yhä enemmän, mutta hakkuutähteiden käyttö
ei ole kuitenkaan ongelmatonta. Havupuiden neulasten ja oksien ravinnepitoisuudet ovat niin
paljon korkeammat kuin runkopuun, että kokopuun korjuussa voidaan viedä kasvupaikalta 24 kertaa niin paljon ravinteita kuin runkopuun korjuussa [1]. Hakkuutähteiden korjuun
merkitys riippuu paitsi hakkuutähteiden korjuun intensiteetistä, myös kasvupaikasta ja
puuston kehitysvaiheesta.
Metsämaan pintakerroksiin, erityisesti orgaaniseen kerrokseen, on kertynyt noin 10 000
vuoden aikana runsaasti orgaanista ainetta ja ravinteita. Eräässä päätehakkuuikäisessä
kuusikossa hakkuutähde sisälsi typpeä 247, fosforia 29, kaliumia 89 ja kalsiumia 183 kg/ha
[2]. Kun uudistuskypsän kuusikon orgaanisessa kerroksessa on keskimäärin 741 kg
kokonaistyppeä, 65 kg kokonaisfosforia, 62 kg kokonaiskaliumia ja 222 kg
kokonaiskalsiumia hehtaarilla (julkaisematon Metlan aineisto), niin hakkuutähteen
ravinnemäärien suhde humuskerroksen ravinnemääriin olisi päätehakkuuikäisessä kuusikossa:
N 0,33; P 0,45; K 1,44 ja Ca 0.82. Vastaavasti kaksi kertaa harvennetuissa kuusikoissa
hakkuutähteiden ja humuskerroksen ravinnemäärien suhteiden arvioitiin olleen N 0,21; P
0,44; K 1,41 ja Ca 0.68 [3]. Näiden lukujen perusteella hakkuutähteen korjuun vaikutuksen
pitäisi ilmetä erityisesti kaliumin ja kalsiumin määrissä mutta vähemmän fosforin ja typen
määrissä.
Taulukko 1. Korjuun intensiivisyyden vaikutus humuskerroksen happamuustunnuksiin ja
uuttuviin ja kokonaisravinnemääriin Rautavaaralla, Pohjois-Savossa. Avohakkuusta oli
kulunut kokeella 614 25 v ja kokeella 615 23 v. RK = runkopuun korjuu ja KK = kokopuun
korjuu (runkopuu + hakkuutähteet). p = kovarianssianalyysin F-testin tilastollinen
merkitsevyys (ks. viite [4]).
Koe 614
Koe 615
Muuttuja
RK
KK p
RK KK p
n
24
24
12
12
pHvesi
3,6
3,7
,374
3,5 3,6 ,327
Al, mmol kg-1 5,4
9,3
,000
10,4 11,0 ,785
Ca/Al
9,8
7,1
,006
9,0 6,5 ,042
C/N
37
36
,144
39
40
,323
Vaihtuvat/uuttuvat ravinnemäärät
Ca, kg ha-1
109
84
,002
66
61
,659
-1
K, kg ha
44
43
,425
28
28
,888
Mg, kg ha-1
18
18
,853
10
11
,752
P, kg ha-1
11,4 9,5
,012
8,3 7,3 ,123
Kokonaisravinnemäärät
C, Mg ha-1
24
21
,007
16
15
,686
-1
N, kg ha
662
590 ,045
414 395 ,648
Ca, kg ha-1
175
136 ,006
105 100 ,768
-1
K, kg ha
52
48
,320
27
29
,672
Mg, kg ha-1
36
38
,782
15
17
,259
-1
P, kg ha
47
45
,520
28
28
,819
16
Avohakkuun yhteydessä tehdyn hakkuutähteen korjuun vaikutuksia männyn taimiin ja
maahan tutkittiin kahdella metsänviljelykokeella Pohjois-Savossa [4]. Koemetsiköt aurattiin
ennen mäntyjen istutusta. Maanäytteet otettiin koskemattomalta maalta auranvakojen välistä.
Taimien kasvuun tai neulasten ravinnepitoisuuksiin hakkuutähteen korjuu ei vaikuttanut,
mutta toisessa kokeessa koealoilla, joilta hakkuutähteet oli korjattu, havaittiin vähäistä
happamoitumista, ts. alumiinipitoisuus oli noussut ja kalsiumpitoisuus ja Ca/Al suhde oli
laskenut. Lisäksi koealoilla, joilta hakkuutähteet oli korjattu, hiilen, kokonaistypen ja –
kalsiumin sekä uuttuvan fosforin määrät olivat pienempiä (Taulukko 1). Näytti siltä, että
kokopuun korjuu vaikutti humuskerroksen tunnuksiin, mutta hyvin lievästi, koska vain
toisessa kokeessa näkyi eroja käsittelyjen välillä.
Harvennushakkuiden yhteydessä tehdyn hakkuutähteiden korjuun vaikutuksia maahan
tutkittiin 13 kokeella. Hakkuutähteiden korjuu näytti keskimäärin alentavan emäskationien
määriä, sitä enemmän, mitä enemmän hakkuutähteitä oli korjattu (Taulukko 2).
Taulukko 2. Korjuun intensiivisyyden vaikutus humuskerroksen vaihtuvien/uuttuvien
ravinteiden määriin 13 harvennushakkuukokeella 3-30 vuotta ensimmäisen harvennuksen
jälkeen. Kokeista 10 oli harvennettu kahdesti ja 3 kerran, mukana 9 männikköä ja 4
kuusikkoa. RK = runkopuun korjuu ja KK = kokopuun korjuu (runkopuu + hakkuutähteet). p
= kovarianssianalyysin F-testin tilastollinen merkitsevyys (ks. viite [3]).
Muuttuja
RK KK p
pHvesi
3,8 3,8 ,573
-1
Ca, kg ha
66 60 ,020
K, kg ha-1
28 27 ,029
-1
Mg, kg ha
9,2 8,2 ,006
P, kg ha-1
9,1 8,7 ,178
Emäskationit, kmol ha-1 5,0 4,5 ,014
Kirjallisuus
[1] Mälkönen, E. 1977. Betydelsen av helträdsutnyttjandet i skogens näringhushållning.
Skogsbruket 1977(6): 124-125.
[2] Mälkönen, E., Kukkola, M. & Finér, L. 2001. Energiapuun korjuu ja metsämaan
ravinnetase. Julkaisussa: Nurmi, J. & Kokko, A. (toim.). Biomassan tehostetun
talteenoton
seurannaisvaikutukset
metsässä.
Metsäntutkimuslaitos.
Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja 816. s. 31-52.
[3] Tamminen, P., Saarsalmi, A., Smolander, A., Kukkola, M. & Helmisaari, H.-S. 2012.
Effects of logging residue harvest in thinnings on amounts of soil carbon and nutrients
in Scots pine and Norway spruce stands. Forest Ecology and Management 263: 31-38.
[4] Saarsalmi, A., Tamminen, P., Kukkola, M. & Hautajärvi, R. 2010. Whole-tree harvesting
at clear-felling: Impact on soil chemistry, needle nutrient concentrations and growth of
Scots pine. Scandinavian Journal of Forest Research 25(2): 148-156.
17
Runkopuu- ja kokopuukorjuussa poistuvat ravinnemäärät
Nutrient removals in stem-only and whole-tree harvesting
Marjo Palviainen1 ja Leena Finér2
1
2
Metsätieteiden laitos, Helsingin yliopisto, PL 27, 00014 Helsingin yliopisto
Metsäntutkimuslaitos, Itä-Suomen alueyksikkö, PL 68, 80101 Joensuu
Johdanto
Kokopuukorjuu, jossa poistetaan runkojen lisäksi latvusmassaa bioenergian lähteeksi, on
yleistynyt voimakkaasti. Kansallisen metsäohjelman tavoitteena on kasvattaa vuotuinen
metsähakkeen käyttö 10-12 miljoonaan m3 vuoteen 2015 mennessä. Intensiivisempi
biomassan korjuu lisää kasvupaikan ravinteiden menetystä, mikä voi vähentää
puuntuotoskykyä [1]. Tässä työssä laadittiin yhtälöt, joilla voidaan laskea männyn, kuusen ja
koivun runkopuun ja maanpäällisen biomassan (runko ja latvus) sisältämät typen, fosforin,
kaliumin ja kalsiumin määrät metsikön tilavuuden funktiona. Yhtälöitä käytettiin arvioitaessa
kasvupaikan ravinteiden menetystä kokopuukorjuussa, metsikön eri kehitysvaiheissa ja eri
puulajien metsiköiden välillä.
Aineisto ja menetelmät
Aineistona käytettiin Suomessa ja Ruotsissa tehtyjen tutkimusten tuloksia 34 männiköstä, 26
kuusikosta ja 5 koivikosta [2]. Yhtälöt ovat muotoa Y= aXb, missä Y on ravinnemäärä (kg ha1
), X on metsikön tilavuus (m3 ha-1) ja a ja b ovat parametreja. Yhtälöillä laskettiin hakkuissa
korjatun puuston sisältämät ravinnemäärät kiertoajan aikana tyypillisissä Etelä-Suomalaisissa
männiköissä, kuusikoissa ja koivikoissa. Korjatun puuston tilavuus laskettiin MOTTImallilla. Ravinnepoistumia verrattiin kirjallisuudessa esitettyihin laskeuma-, rapautumis- ja
huuhtouma-arvioihin sekä maaperän ravinnevaroihin.
Tulokset ja tulosten tarkastelu
Yhtälöt selittivät puulajista ja ravinteesta riippuen 61-99% runkojen ja 56-87% maanpäällisen
biomassan sisältämistä ravinnemääristä. Tehtyjen laskelmien mukaan ravinnepoistumien
suuruus riippuu hakkuun intensiteetistä, metsikön kehitysvaiheesta ja puulajista.
Kokopuukorjuu lisää huomattavasti ravinnepoistumia runkopuukorjuuseen verrattuna (Kuva
1). Runkopuu- ja kokopuukorjuun aiheuttamat ravinnepoistumat hakattua puukuutiometriä
kohden ovat pienemmät männiköissä kuin kuusikoissa ja koivikoissa. Latvuksen osuus
maanpäällisestä ravinnemäärästä vähenee metsikön tilavuuden kasvaessa. Kokopuukorjuun
aiheuttamat ravinnepoistumat korjattua runkopuukuutiometriä kohden ovat näin ollen
suuremmat nuorissa tilavuudeltaan pienissä metsiköissä.
Metsikön koko kiertoajan kattavat ravinnetasetarkastelut osoittivat, että useimmissa
tapauksissa metsikön ravinnetase on negatiivinen jos puunkorjuu toteutetaan
kokopuukorjuuna. Koivikoissa fosforin ja kaliumin tase voi muodostua negatiiviseksi jo
pelkässä runkopuun korjuussa. Toteutettaessa korjuu kokopuukorjuuna ovat typen poistumat
kivennäismailla ja fosforin ja kaliumin poistumat turvemailla suuria verrattuna maan
juuristokerroksen ravinnevaroihin. Runkopuukorjuun ja etenkin kokopuukorjuun aiheuttamat
ravinnepoistumat kiertoajan aikana ovat myös suuria verrattuna kasveille käyttökelpoisten
ravinteiden määriin juuristokerroksessa. Kokopuukorjuun aiheuttamia ravinnemenetyksiä
voidaan vähentää suhteessa eniten korjattua biomassayksikköä kohti korjaamalla energiapuuta
päätehakkuumetsiköistä nuorten harvennusmetsiköiden sijaan, koska nuorissa metsissä
runsaasti ravinteita sisältävä latvus kattaa suhteellisesti suuremman osan biomassasta
18
Laaditut ravinneyhtälöt, joissa käytetään metsikön tilavuutta riippumattomana muuttujana,
ovat helppokäyttöisiä arvioitaessa runkojen ja maanpäällisen biomassan ravinnemääriä
boreaalisissa männiköissä, kuusikoissa ja koivikoissa. Yhtälöt perustuvat kuitenkin vielä
varsin pieneen aineistoon ja lisäaineistoa tarvitaan niiden parantamiseen ja validointiin.
Kuva 1. Ravinneyhtälöiden avulla ennustettu typen, fosforin, kaliumin ja kalsiumin määrä
(kg ha-1) männyn, kuusen ja koivun runkopuussa (alempi viiva) ja maanpäällisessä (runko ja
latvus) biomassassa (ylempi viiva) runkotilavuuden (m3 ha-1) funktiona.
Kirjallisuus
[1] Wall, A. 2012. Risk analysis of effects of whole-tree harvesting on site productivity.
Forest Ecology and Management 282: 175-184.
[2] Palviainen, M. and Finér, L. 2012. Estimation of nutrient removals in stem-only and
whole-tree harvesting of Scots pine, Norway spruce, and birch stands with generalized
nutrient equations. European Journal of Forest Research 131: 945-964.
19
The long-term effects of whole-tree harvest at final felling on soil properties
in a Norway spruce (Picea abies (L) Karts.) stand
Päätehakkuussa tehtävän kokopuunkorjuun pitkäaikaisvaikutukset maaperän ominaisuuksiin
OMT-kuusikossa
Lilli Kaarakka1,3, Heljä-Sisko Helmisaari1, Pekka Tamminen2, Anna Saarsalmi2 and Andrew
Burton3
1
University of Helsinki, Department of Forest Sciences, Helsinki, Finland
Finnish Forest Research Institute, Vantaa, Finland
3
Michigan Technological University, Houghton, MI, USA
2
Introduction
Increased demand for forest-derived biomass has resulted in changes in harvest intensities in
Finland. Conventional stem-only harvest (CH) has to some extent been replaced with wholetree harvest (WTH). The latter involves a greater removal of nutrients from the forest
ecosystem, as all the above ground biomass is exported from the site. This has raised concerns
that WTH could result in large changes in the nutrient dynamics of a forest stand and could
eventually lower its site productivity. A number of studies conducted in the boreal region
have demonstrated that WTH could result in growth losses in both thinnings 1,2 and final
harvest 3-6. It has also been reported that WTH can have an impact on nutrient pools and
acidity 7-15. The objective of this study was to compare differences in soil properties after CH
and WTH in a fertile Norway spruce (Picea abies (L) Karst.) stand in Southern Finland. The
site was clear-felled in August 2000 and spruce seedlings were planted in the following
summer. Soil sampling in the form of systematic randomized sampling was carried out in
May 2011. Changes in base saturation, cation exchange capacity, elemental pools (total and
exchangeable) and acidity were studied in both, organic and mineral horizons.
Materials and methods
The experimental site (Trial 727) utilized for this study was established by the Finnish Forest
Research Institute as a part of a trial examining the long-term effects of whole-tree harvest on
tree growth and soil properties. Soil chemical analysis was completed at the Finnish Forest
Research Institute and University of Helsinki. Means of the sampling points in each plot were
used for all analyses. ANOVA (Analysis of variance) was used to test the effects of treatment
on the selected soil properties.
Results
WTH reduced significantly the amount of organic matter (LOI %) (p < 0.002) and the total
pool of Ca (p < 0.011) in the organic layer. Also, WTH decreased the pools of exchangeable
Ca, K and Mg (kg ha-1) in the organic layer, whereas the pools of exchangeable Al and Fe
increased. The change was significant for Al (p < 0.000), Fe (p < 0.001) and Ca (p < 0.009).
The pools of exchangeable Ca (p < 0.000) and Mg (p < 0.003) declined significantly in the
mineral soil as result of WTH. Harvest methods had no significant effect on pH in either soil
horizon. However, effective cation exchange capacity (ECEC, cmol(+)kg-1) (p < 0.009) and
base saturation (BS %) (p < 0.000) were both lower after WTH in the organic layer.
Correspondingly, exchangeable acidity (EA, cmol(+)kg-1) (p <0.002) increased significantly in
the organic layer as result of WTH. Significant treatment effect on ECEC and BS was also
detected in the mineral soil (p < 0.016 and p < 0.004, respectively).
Conclusions
The results of this study indicate that whole-tree harvest can exacerbate loss of nutrient
cations and soil acidification, particularly in the organic layer of the soil ten years after final
harvest in a fertile Norway spruce stand in comparison to conventional harvest. Exchangeable
20
acidity, exchangeable Al concentration and Ca/Al-ratio increased significantly in the organic
layer at the plots from which the logging residues were removed. Significant reductions in the
effective cation exchange capacity and base saturation were also observed across the upper
soil layers after WTH. The removal of logging residues did not affect the C/N ratio or total
pools of carbon and nitrogen in either soil layer. Pools of exchangeable and total Ca were
significantly reduced as a result of WTH. These findings suggest that WTH can cause
depletion of base cations from the upper soil layers and that although the stand possesses
significant pools of nutrients at present, WTH, if continued, could have long-term effects on
site productivity.
Literature
[1] Helmisaari, H., Hanssen, K. H., Jacobson, S., Kukkola, M., Luiro, J., Saarsalmi, A., Tamminen, P.
& Tveite, B. 2011. Logging residue removal after thinning in Nordic boreal forests: Long-term impact
on tree growth. Forest Ecology and Management 261(11): 1919–1927.
[2] Jacobson, S., Kukkola, M., Mälkönen, E. & Tveite, B. 2000. Impact of whole-tree harvesting and
compensatory fertilization on growth of coniferous thinning stands. Forest Ecology and Management
129(1-3): 41–51.
[3] Proe, M. F. & Dutch, J. 1994. Impact of Whole-Tree Harvesting on Second-Rotation Growth of
Sitka Spruce: the First 10 Years. Forest Ecology and Management 66(1): 39–54.
[4] Wall, A. & Hytönen, J. 2011. The long-term effects of logging residue removal on forest floor
nutrient capital, foliar chemistry and growth of a Norway spruce stand. Biomass and Bioenergy 35(8):
3328–3334.
[5] Walmsley, J. D., Jones, D. L., Reynolds, B., Price, M. H. & Healey, J. R. 2009. Whole tree
harvesting can reduce second rotation forest productivity. Forest Ecology and Management 257(3):
1104–1111.
[6] Egnell, G. 2011. Is the productivity decline in Norway spruce following whole-tree harvesting in
the final felling in boreal Sweden permanent or temporary? Forest Ecology and Management 261(1):
148–153.
[7] Olsson, B. A., Staaf, H., Lundkvist, H., Bengtsson, J. & Rosen, K. 1996. Carbon and nitrogen in
coniferous forest soils after clear-felling and harvests of different intensity. Forest Ecology and
Management 82(1-3): 19–32.
[8] Olsson, B. A., Bengtsson, J. & Lundkvist, H. 1996. Effects of different forest harvest intensities on
the pools of exchangeable cations in coniferous forest soils. Forest Ecology and Management 84(1–3):
135–147.
[9] Tamminen, P., Saarsalmi, A., Smolander, A., Kukkola, M. & Helmisaari, H. 2012. Effects of
logging residue harvest in thinnings on amounts of soil carbon and nutrients in Scots pine and Norway
spruce stands. Forest Ecology and Management 263:31–38.
[10] Olsson, B., Lundkvist, H. & Staaf, H. 2000. Nutrient status in needles of Norway spruce and
Scots pine following harvesting of logging residues. Plant and Soil 223(1): 163–175.
[11] Thiffault, E., Pare, D., Belanger, N., Munson, A. & Marquis, F. 2006. Harvesting Intensity at
Clear-Felling in the Boreal Forest: Impact on Soil and Foliar Nutrient Status. Soil Science Society of
America Journal 70(2): 691–701.
[12] Vanguelova, E., Pitman, R., Luiro, J. & Helmisaari, H. 2010. Long term effects of whole tree
harvesting on soil carbon and nutrient sustainability in the UK. Biogeochemistry 101(1-3): 43–59.
[13] Mälkönen, E. 1976. Effect of whole-tree harvesting on soil fertility. Silva Fennica 10(3): 157–
164.
[14] Helmisaari, H., Makkonen, K., Kellomäki, S., Valtonen, E. & Mälkönen, E. 2002. Below- and
above-ground biomass, production and nitrogen use in Scots pine stands in eastern Finland. Forest
Ecology and Management 165(1-3): 317-326.
[15] Smolander, A., Kitunen, V., Tamminen, P. & Kukkola, M. 2010. Removal of logging residue in
Norway spruce thinning stands: Long-term changes in organic layer properties. Soil Biology and
Biochemistry 42(8): 1222–1228.
21
Orgaanisella maalla tuotetun ruokohelven ilmastolliset vaikutukset
Atmospheric impact of reed canary grass cultivation on an organic soil
Niina P. Hyvönen1, Narasinha J. Shurpali1 ja Pertti J. Martikainen1
1
Itä-Suomen yliopisto, Ympäristötieteenlaitos, PL 1627, 70211 Kuopio
Abstrakti
Viljelykäytössä olevat orgaaniset maat ovat osoittautuneet erittäin ongelmallisiksi
tarkasteltaessa niiden ilmastollisia vaikutuksia. OECD onkin suositellut, ettei orgaanisia maita
saisi käyttää bioenergiakasvien viljelyyn, koska suuret hiilidioksidi- (CO2) ja
dityppioksidipäästöt (N2O) mitätöivät bioenergiakasveista saatavan hyödyn [1]. Tässä
tutkimuksessa määritimme turvetuotannosta poistetulla alueella tuotetun ruokohelven
kasvihuonekaasutaseet (CO2, N2O ja metaani (CH4)) käyttämällä mikrometeorologista eddy
kovarianssi-, kammio- ja lumigradienttimenetelmiä. Vuomittaukset tehtiin sekä saroilta että
kuivatusojista. Lisäksi määritimme ruokohelven biomassan (korsi- ja juuribiomassa) sekä
viljelyalueelta syntyvän hiilen ja ravinteiden valunnan.
Tämä tutkimus osoittaa, että viljeltäessä monivuotista ruokohelpeä, on olemassa orgaanisia
maita joissa N2O-päästöt ovat matalat ja vuositasolla viljelmä toimii hiilen nieluna toisin kuin
aikaisemmissa tutkimuksissa on havaittu yksivuotisia kasveja viljeltäessä [2, 3].
Ruokohelpiviljelmän kokonaishiilen ja -typen valunnat olivat alhaisempia kuin
turvetuotantoalueen valunnat keskimäärin ja kokonaistypen ja -fosforin valunnat oli
pienempää kuin maatalousmailta keskimäärin [4]. Huomioiden koko tuotantoketju (mm.
maatalouskoneet ja biomassan kuljetus polttolaitokselle), kasvihuonekaasupäästöt tuotettua
energiayksikköä (sähkö-lämpö) kohden vaihtelevat säätekijöiden mukaan. Tuottamalla
ruokohelpeä bioenergiaksi on mahdollista päästä kivihiilellä tuotettua energiaa alhaisempaan
päästöön [4].
Kirjallisuus
[1] OECD. 2007. Biofuels: Is the Cure Worse than the Disease? OECD Sustainable
Development Studies. OECD Publications, Paris.
[2] Shurpali N.J, Hyvönen N.P, Huttunen J.T, Clement R, Reichstein M, Nykänen H, Biasi C,
Martikainen P.M. 2009 Perennial grass for bioenergy on a boreal organic soil - carbon sink or
source? Global Change Biology Bioenergy 1: 35-50. doi: 10.1111/j.1757-1707.2009.01003.x
[3] Hyvönen N.P., Huttunen J.T, Shurpal, N.J, Tavi N.M., Repo M.E. and Martikainen P.J.
2009. Fluxes of nitrous oxide and methane on an abandoned peat extraction site: Effect of
reed
canary
grass
cultivation.
Bioresource
Technology
100:
4723-4730.
doi:10.1016/j.biortech.2009.04.043
[4] Hyvönen N.P., Shurpali N.J., Lind S.E., Repo M.E., Heitto L. and Martikainen P.J. 2013.
Importance of drainage ditches in greenhouse gas emissions and leaching losses from
cultivation of a perennial bioenergy crop on a cutaway peatland. Boreal Environment
Research 18: xx-xx. (in print)
[5] Shurpali NJ., Strandman H., Kilpeläinen A., Huttunen J., Hyvönen N., Biasi C.,
Kellomäki S. and Martikainen P.J. 2010. Atmospheric impact of bioenergy based on perennial
crop (reed canary grass, Phalaris arundinaceae, L.) cultivation on a drained boreal organic
soil. Global Change Biology Bioenergy 2: 130-138.
22
Raetuhkan vaikutukset koneellisesti istutetun kuusentaimikon maaperään
Effects of granulated wood ash on the soil of machine-planted Norway spruce plantations
Jouni Nieminen1
1
Bio- ja ympäristötieteiden laitos, PL 35, 40014 Jyväskylän yliopisto
Johdanto
Vaikka energiapuun korjuu tehostuu, vain pieni osa voimalaitoksilla syntyvästä puuntuhkasta
kierrätetään takaisin metsäekosysteemiin1,2. Erityisen puutteellisesti tunnetaan rakeistetun
puuntuhkan vaikutukset avohakkuualoille perustetuissa nuorissa kuusentaimikoissa3 sekä
tuhkalannoituksen ja maanpinnan käsittelyn yhteisvaikutukset maaperän eliöstöön.
Raetuhkalannoituksen
ja
kääntömätästyksen
yhteisvaikutuksia
kuusentaimikon
maaperäeläimiin, maan ammoniumtyppipitoisuuteen ja kasvillisuuteen tutkittiin taimikon
perustamista seuraavina kahtena syksynä. Yleisten häiriöekologisten teorioiden nojalla
oletimme tuhkalannoituksen ja mätästyksen lisäävän bakteerinsyöjäsukkulamatojen määriä
sekä nostavan ammoniumtyppipitoisuutta ja edelleen kuusenneulasten typpipitoisuutta.
Aineisto ja menetelmät
Koe perustettiin kesällä 2009 kahteen edellisenä talvena avohakattuun kuusentaimikkoon
Viitasaarella ja Ähtärissä. Koeala jakautui kummallakin hakkuualalla kolmeen 15*15 m
lohkoon, joiden sisään arvottiin satunnaisesti kolme toistoa kutakin käsittelykombinaatiota.
Tutkimusyksikkönä oli kuusentaimi lähiympäristöineen. Yhteensä 72 kuusentainta istutettiin
säännölliseen ruudukkoon istutuskoneilla M-Planter ja Bräcke. Puolet taimista istutettiin
mätästäen ja puolet ilman mätästystä. Puolet mätästäen ja mätästämättä istutetuista taimista
lannoitettiin raetuhkalla. Tuhka (314 g/taimi, vastaten 4 tn/ha) siroteltiin käsin
mahdollisimman tasaisesti puolen metrin säteelle taimesta. Käsittelyt muodostavat täydellisen
faktorikokeen, faktoreina tuhkalannoitus ja kääntömätästys.
Raetuhka oli valmistettu puun ja turpeentuhkan (< 20 %) seoksesta, joka sisälsi 200 g kg-1 Ca,
22 g kg-1 K, 11 g kg-1 P, 10 mg kg-1 Cd, 20 mg kg-1 As. Raetuhkan pH oli 9.16 ± 0.17
(keskiarvo ± SD, n = 3). Sadan tuhkarakeen digitaalisella työntömitalla mitattu
keskimääräinen minimihalkaisija oli 7.8 ± 4.2 mm ja massa 0.6 ± 1.2 g.
Syyskuussa 2009 ja 2010 jokaisen taimen luota otettiin kaksi orgaanisen kerroksen syvyistä
maanäytettä 57 mm kairalla änkyrimato- ja mikroniveljalkaismäärityksiin ja yksi 35 mm
kairalla sukkulamato- ja fysikaalis-kemiallisia määrityksiä varten. Änkyrimadot,
sukkulamadot ja mikroniveljalkaiset eroteltiin maanäytteistä ja niiden populaatiotiheydet
laskettiin tavanomaiseen tapaan4. Lisäksi erotellun sukkulamatonäytteen osasta määritettiin
bakteerinsyöjien osuus (% sukkulamatojen kokonaismäärästä). Orgaanisen maan kosteus
määritettiin gravimetrisesti. Lisäksi määritettiin maan tuhkapitoisuus (4 h 550C:ssa).
Kunkin kuusentaimen kuluvan vuoden versosta otettiin kolme haaraa kasvukauden päätyttyä
marraskuussa 2010. Kuivattujen ja jauhettujen neulasten typpipitoisuus määritettiin Suomen
Ympäristöpalvelu Oy:n laboratoriossa. 5 g tuoretta maanäytettä sekoitettiin veteen ja
suodatettiin ensin 1.6 µm lasikuitu- ja sitten 0.45 µm kalvosuodattimen läpi. Suodoksesta
määritettiin NH4-N standardin SFS-EN ISO 11732:2005 mukaisesti, sekä pH ja
sähkönjohtavuus
Jyväskylän
yliopiston
Ambiotica-laboratorioissa
ja
PP
laboratoriopalveluissa.
Käsittelyjen vaikutukset testattiin PASW(R) 18.0 -ohjelmalla lineaarisia sekamalleja käyttäen.
23
Tulokset
Vain kääntömätästys lisäsi bakteerinsyöjäsukkulamatojen määrää ja suhteellista osuutta. Sen
sijaan puuntuhka odottamatta lisäsi hyppyhäntäisten kokonaismäärää tilastollisesti
merkitsevästi sekä änkyrimatojen biomassaa, punkkien lukumäärää ja vuonna 2010 myös
sukkulamatojen kokonaismäärää melkein merkitsevästi.
Raetuhka nosti maan ammoniumtypen pitoisuutta 24 % syksyllä 2009 ja kääntömätästys nosti
sitä 190 % syksyllä 2010. Sekä raetuhka että kääntömätästys nostivat toisistaan riippumatta
kuusenneulasten typpipitoisuutta. Kääntömätästys laski maan gravimetristä kosteutta, kun taas
puuntuhka näytti lisäävän sitä erityisesti Ähtärissä, joka oli alunperin maaperältään kuivempi.
Tulosten tarkastelu
Havaittu maaperäeläinpopulaatioiden kasvu tuhkalannoitetuksen seurauksena liittyy
todennäköisesti maan kosteusprosentin nousuun. Niukkaliukoinen raetuhka näyttää toimineen
orgaanisessa metsämaassa samaan tapaan kuin epäorgaaninen kate kuten sora, jonka tiedetään
parantavan maan vedenpidätyskykyä5. Koska mikrobisto sekä lisää maaperän
vedenpidätyskykyä, että hyötyy vedenpidätyskyvyn kasvusta, emme tiedä onko kosteus syy
vai seuraus. Toisin kuin nyt, aiemmissa tutkimuksissa raetuhka ei ole vaikuttanut maan tai
kuusenneulasten N-pitoisuuteen3. Osasyy eroaviin tuloksiin voi olla pitempi viive sekä
hakkuun ja lannoituksen, että lannoituksen ja näytteenoton välillä aiemmissa tutkimuksissa.
Jos raetuhkalla oli katevaikutusta hakkuualalla, se on todennäköisesti suurimmillaan ennen
kasvillisuuden ilmaantumista. Emme havainneet niukkaliukoisen raetuhkan vaikuttavan maan
happamuuteen, eikä sitä ole havaittu muissakaan tutkimuksissa6. Kaiken kaikkiaan raetuhka
aiheutti lannoituksen jälkeisenä vuotena kääntömätästykseen verrattuna vain vähäisiä
muutoksia kuusentaimikon maaperässä.
Kiitos
Maj ja Tor Nesslingin säätiölle rahoituksesta, UPM Kymmenelle koealoista sekä Mikko
Räisäselle ja Jari Haimille yhteistyöstä.
Kirjallisuus
[1] Finnish Statistical Yearbook of Forestry, 2008.
[2] Finnish Forest Industries Federation, 2008. Forest Industry's Environmental Statistics.
Statistics for 2006. www.forestindustries.fi.
[3] Wang, P., Olsson, B.A. and Lundkvist, H. 2007. Effects of wood ash, vitality fertilizer and
logging residues on needle and root chemistry in a young Norway spruce stand. Scand. J. For.
Res. 22: 136-148.
[4] Nieminen, J.K., Räisänen, M. and Haimi, J. 2012. Spot mounding and granulated wood
ash increase inorganic N availability and alter key components of the soil food web in clearcut Norway spruce forests. For. Ecol. Manage. 263: 24-30.
[5] Kraus, H.T. 1998. Effects of Mulch on Soil Moisture and Growth of Desert Willow.
HortTechnology 8: 588-590.
[6] Wang, P., Olsson, B.A., Arvidsson, H. and Lundkvist, H. 2010. Short-term effects of
nutrient compensation following whole-tree harvesting on soil and soil water chemistry in a
young Norway spruce stand. Plant Soil 336: 323-336.
24
Suomen kivennäismaapeltojen maannokset WRB-järjestelmän mukaan
Soil classes of agricultural mineral soils according to the WRB system
Markku Yli-Halla1 ja Åge Nyborg2
1
2
Maaperä- ja ympäristötiede, PL 27, 00014 Helsingin yliopisto
Norsk institutt for skog og landskap, Box 115, 1431 Ås, Norge
Maannosnimet pystyvät ilmaisemaan maan ominaisuuksia monipuolisesti. Märkyys on yksi
Suomen peltojen pysyvistä viljelyrajoitteista. Pelloistamme on salaojitettuja 60 %, avoojitettuja 26 % ja vain 14 %:n osuutta, joka koostuu karkeista maista, viljellään ojittamatta.
Tätä meille itsestään selvää maan ominaisuutta ei ole kuitenkaan tähän asti ilmaistu
viljelymaillemme World Reference Base for Soil Resources (WRB) –järjestelmän [1] mukaan
annetuissa maannosnimissä [2], ja käytössä olevat nimet antavat maistamme todellista
kuivemman vaikutelman. Suomesta laadituissa 1:1000 000- ja 1:250 000 –mittakaavaisissa
maannoskartoissa [3, 4] vain turvemaiden maannosnimi Histosols (29 % pinta-alasta) ja
liejuisten maiden nimi Gleysols (2 %) kertovat maan märkyydestä. Savimaiden nimi Vertic
Cambisol ei ilmaise märkyyttä, eivät myöskään karkeampien kivennäismaiden maannosnimet
Eutric/Dystric Cambisol tai podsoloituneiden maiden Haplic Podzol. Norjassa, jossa on tehty
maaperäkartoituksen kenttätöitä intensiivisesti toistakymmentä vuotta, märkyys käy
maannosnimistä selvästi ilmi. Etelä-Suomen pellot muistuttavat Kaakkois-Norjan
viljelymaita, jossa yleisimpiä WRB–järjestelmän maannoksia ovat Stagnosols ja Planosols
sekä Luvisols ja Albeluvisols, joiden märkyys voidaan ilmaista gleyic- ja stagnicattribuuteilla. Suomen maannoskartoilla peltomaiden valtamaannos Cambisols esiintyy
Norjassa lähinnä vain keskikarkeilla, luontaisesti hyvässä kuivatustilassa olevilla mailla.
Norjan ja Suomen maannosnimissä havaitun ilmeisen ristiriidan [5] takia kesäkuussa 2012
tutkittiin yhteistyössä kivennäismaaprofiileja Helsingissä (2 maata), Jokioisilla (5) ja
Juupajoella (1). Maaprofiilien morfologisten ominaisuuksien ja aikaisemmin tehtyjen maaanalyysien perusteella maat luokiteltiin WRB-järjestelmän mukaan.
Lähes kaikissa maissa oli ”stagnic colour pattern” [1]. Niissä siis oli ruskeita ruostelaikkuja
osoittamassa hapellisten ja hapettomien olojen vaihtelua. Savimaiden maannosnimeksi tulee
tästä syystä usein Stagnosols (Taulukko 1). Matalimmissa maastonkohdissa savimaat voivat
olla myös Gleysols-maannosta, joka syntyy korkean pohjaveden vaikutuksesta. Siinä
maakokkareet ovat sisältä yhtenäisen harmaita heti muokkauskerroksen alapuolelta lähtien.
”Stagnic colour pattern” esiintyy usein myös silloin, kun pintamaa on hietaa ja sen alla on
huonosti vettä läpäisevää savea. Tällainen ominaisuuksien yhdistelmä johtaa Planosolsmaannokseen. Tällaisissa maissa näyttää usein olevan ”mollic epipedon” (hyvin tumma
muokkauskerros, lähes neutraali pH) ja kaikilla syvyyksillä kationinvaihtopaikoista suurin osa
Ca2+:n ja Mg2+:n miehittämiä. Välillä ne luokiteltiin Phaeozems-maannokseksi [2, 6], mutta
koska pintamaan korkea pH johtuu kalkituksesta eikä ole siis pysyvä ominaisuus, nyt
katsotaan paremmaksi lukea nämä maat Planosols-luokkaan.
Suomessa on usein todettu, että varsinkin savimaiden jankko on väriltään hieman vaaleampi
kuin sen alapuolella oleva pohjamaa. Tämä ilmiö viittaa siihen, että jankosta on huuhtoutunut
savesta ja rapautumistuotteita syvempiin maakerroksiin. Kun jankko on riittävän vaalea, se
täyttää albic-horisontin tunnusmerkit. Jos syvemmällä on lisäksi kokkareiden pinnoilla
savesfilmejä (”illuvial clay”, Luvisols-maannoksen tunnusmerkki), maa voi olla Albeluvisolsmaannos. Viitteitä tästä on olemassa, sillä Peltovuori et al. [7] tunnistivat Suomesta Aeric
Cryaquepts –maannoksen, joka amerikkalaisessa Soil Taxonomy-järjestelmässä [8] sisältää
monia samoja ominaisuuksia kuin WRB-järjestelmän Albeluvisols-maannos. Monet Suomen
savimaat, joissa on ”stagnic colour pattern”, täyttävät myös Luvisols-maannoksen
25
tunnusmerkit [9]. Mutta koska WRB-järjestelmän määrityskaavassa Stagnosols tulee ennen
Luvisols-maannosta, tuollainen maa voi saada nimen Luvic Stagnosols, jossa saveksen
kulkeutuminen maaprofiilissa alaspäin ilmaistaan siis attribuutilla. MTT:n Kotkaonjan
huuhtoutumiskenttä näyttää kuitenkin kuuluvan Luvisols-ryhmään, koska siitä puuttui
”stagnic colour pattern”.
Tutkittu hiesumaa Juupajoella oli pedogeenisesti erittäin heikosti kehittynyt, ja siinäkin oli
”stagnic colour pattern”, joka ei kuitenkaan ollut riittävän lähellä (<50 cm) maan pintaa
ollakseen nimeämisessä määräävin ominaisuus. Tämä maa saikin nimen Stagnic Regosols,
mutta maastossa alempana olevien hiesumaiden arveltiin olevan Stagnosols-maannoksia.
Hienot hiedat ja hietamoreenit ovat usein Cambisols-maannoksia, ja karkeammat
podsoloituneet maat Podzols-maannoksia.
Taulukko 1. Yleistys viljeltyjen kivennäismaidemme maannoksista. Märkyys näkyy
kursivoidussa nimen osassa.
Suomalainen maalaji
Uusi maannosnimi
Savimaa
Vertic Endogleyic Luvic Stagnosols
Savimaa, matalimmat märät maastonkohdat Luvic Gleysols
Hieta, syvemmällä savi
Endogleyic Luvic Planosols
Hiesu
Stagnic Regosols
Hieno hieta tai hietamoreeni
Endogleyic Cambisols
Selvästi podsoloituneet maat
Gleyic Podzols
Edellä mainittujen Luvisol- ja Albeluvisol-maannosnimien käyttö ilman maaprofiilin
ominaisuuksien tarkempaa tutkimista ei ole toistaiseksi suositeltavaa, koska näiden
maannosten esiintymisen laajuudesta Suomessa ei ole vielä riittävästi tietoa.
Yksittäistapauksissa ne tulevat epäilemättä kysymykseen, kunhan nimeä antava tutkija pystyy
tunnistamaan kyseisten maannosten diagnostiset ominaisuudet.
Kirjoittajat kiittävät Salaojituksen Tutkimusyhdistys ry:tä ja MMM:n rahoittamaa VEHMAShanketta, joilta saatu rahoitus mahdollisti tämän tutkimuksen tekemisen.
Kirjallisuus
[1] FAO, 2006. World Reference Base for Soil Resources 2006. A framework for
international classification, correlation and communication. FAO Soils Bulletin 103. 128 s.
[2] Yli-Halla, M., Mokma, L., Peltovuori, T. & Sippola, J. 2000. Suomalaisia maaprofiileja.
Maatalouden tutkimuskeskus. Sarja A 78. 104 p.
[3] European Soil Bureau 1998. Soil geographical data base of Europe, at scale 1:1000 000.
[4] Lilja, H., Uusitalo, R., Yli-Halla, M., Nevalainen, R., Väänänen, T. & Tamminen, P.
2009. Suomen maannostietokanta. Käyttöopas versio 1.0. MTT Tiede 6. 77 s.
[5] Yli-Halla, M. 2011. Märkyyden ilmaiseminen maannosnimien avulla. Maaperätieteen
Päivät. Pro Terra 52: 18-19.
[6] Greve, M.H., Yli-Halla, M., Nyborg, A. & Öborn, I. 2000. Apprisal of World Reference
Base for Soil Resources – from a Nordic point of view. Danish Journal of Geography 100:
15-26.
[7] Peltovuori, T., Uusitalo, R. & Kauppila, T. 2002. Phosphorus reserves and apparent
phosphorus saturaton in four weakly developed cultivated pedons. Geoderma 110: 35-47.
[8] Soil Survey Staff, 2010. Keys to Soil Taxonomy, 11th Ed. USDA. 337 s.
[9] Yli-Halla, M., Mokma, D.L., Alakukku, L., Drees, L.R. & Wilding, L.P. 2009. Coupled
pedogenic and anthropogenic influences on a clayey Luvisol/Alfisol in Southwestern
Finland. Agricultural and Food Science 18: 366-379.
26
Maaperän hiilen vähentyminen suomalaisilla peltomailla 1974-2009
Declining trend of carbon in Finnish cropland soils in 1974-2009
Kristiina Regina, Jaakko Heikkinen, Elise Ketoja ja Visa Nuutinen
Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT, 31600 Jokioinen
Maailmanlaajuisesti maaperään on varastoitunut enemmän hiiltä kuin kasvillisuuteen ja
ilmakehään yhteensä [1]. Pienilläkin maaperän hiilivarastomuutoksilla voi siten olla suuri
vaikutus ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen ja ilmaston mahdolliseen lämpenemiseen.
Maatalousmaiden hiilen tutkimus on erityisen tärkeää koska ihmisen toiminnan vaikutus
maatalouskäytössä olevaan maaperään on huomattavaa [2]. Riippuen viljelymenetelmistä
maatalousmaat voivat toimia hiilinieluina tai -lähteinä. Maan orgaaninen aines on myös tärkeä
tekijä maaperän laadun ja kestävän ruuantuotannon kannalta. Tutkimuksemme tavoitteena oli
selvittää Suomen peltomaiden hiilivarasto ja siinä viime vuosikymmeninä tapahtuneet
muutokset käyttäen valtakunnallista peltomaiden tilan seuranta-aineistoa.
MTT on vuodesta 1974 lähtien seurannut maatalousmaissa tapahtuvia kemiallisia muutoksia
valtakunnallisen maaperäseurannan avulla. Näytteenotto on toistettu 1987, 1998 ja 2009
ottamalla maanäytteet samoilta näytealoilta kuin 1974. Alun perin verkostoon kuului 2042
koealaa, mutta koealojen lukumäärä on pienentynyt ollen 611 tuoreimmassa näytteenotossa.
Maanäytteet otettiin pellon muokkauskerroksesta (n. 0-15cm). Näytteistä määritettiin hiili- ja
ravinnepitoisuudet ja vuonna 2009 myös maan tilavuuspaino. Aineisto luokiteltiin maalajin,
alueen ja viljelyhistorian (1995-2009) perusteella. Tilastolliseen analysointiin käytettiin
yleistettyjä lineaarisia sekamalleja.
Peltomaiden pintaosaan (0-15 cm) on kokonaisuudessaan varastoitunut hiiltä noin 161 Tg.
Seurannan aikana hiilen määrä on vähentynyt sekä kivennäis- että orgaanisilla mailla.
Kivennäismailla vähenemä on ollut keskimäärin 0,4 % yr-1(Kuva 1), mikä vastaa noin 220 kg
ha-1 yr-1. Tulosten perusteella yksivuotisten kasvien viljelyn yleistyminen on yksi hiilen
vähenemiseen vaikuttanut tekijä. Laskeva suuntaus kuitenkin johtuu todennäköisesti myös
muista tekijöistä, kuten ilmaston lämpenemisestä tai pellonraivauksen pitkäaikaisista
vaikutuksista.
Kuva 1.
Maaperän hiilipitoisuuden
muutos
kivennäismaan
pelloilla
seurantajakson
(1974-2009) aikana Suomen
eri osissa (n = näytealojen
määrä)
[1] Grace, J. 2004. Understanding and managing the global carbon cycle. Journal of Ecology 92:189-202.
[2] Lal, R. 2004. Agricultural activities and the global carbon cycle. Nutrient Cycling in Agroecosystems 70:
103-116.
27
Happamien sulfaattimaiden haitat ja kartoitus
Acid Sulfate Soils: Harmful effects and mapping
Peter Edén, Jaakko Auri ja Anton Boman
Geologian tutkimuskeskus GTK, Länsi-Suomen yksikkö, PL 97, 67101 Kokkola
[email protected]
Happamat sulfaattimaat (HS-maat) kattavat aikaisempien arvioiden mukaan 100 000 –
150 000 ha pitkin Suomen rannikkoalueita [1], eli eniten koko Euroopassa. Sulfidi-pitoisia
hienosedimenttejä on kerrostunut viime jääkauden jälkeen meren pohjalle Suomen ja Ruotsin
välillä alkaen n. 8 000 vuotta sitten Litorinameren aikana. Nopea maankohoaminen (yli 200 m
mannerjään sulamisen jälkeen, tänä päivänä 8 mm vuodessa) on nostanut näitä sedimenttejä
merenpinnan yläpuolelle. Nämä liejupitoiset sedimentit ovat mitä sopivimpia maita
maataloustarkoituksiin. Ne ovat kuitenkin alavat ja kosteat ja vaativat siten kuivatusta että
niitä voidaan viljellä. Erityisesti salaojitus, metsäojitus, turvetuotanto, ruoppaus ja
voimistunut rakentaminen altistavat paksut sulfidikerrokset hapettumiselle (maaperässä
syntyy rikkihappoa), mistä syntyy happamia ja metallirikkaita valumavesiä sekä vesistöjen ja
jokisuistojen pilaamista. Rakentamisessa aiheutuu rakenteiden syöpymistä ja geotekniset
ominaisuudet ovat heikot.
Happamat sulfaattimaat on tunnettu pitkään, mutta 1970-luvulle asti niitä pidettiin
ensisijaisesti maataloustuotantoa haittaavana ongelmana. Tehostetun kuivatuksen eli
salaojituksen myötä haitat lisääntyivät selvästi ja HS-maista tulivat vesistöjä pilaava
ympäristöongelma. Pohjavedenpinnan alapuolella sulfidipitoiset sedimentit eivät aiheuta
haittaa. Maankäytön eli kuivatuksen myötä ne hapettuvat, jolloin maaperässä eri reaktioiden
kautta syntyy rikkihappoa, maan pH laskee jopa alle 3,5 ja maaperästä liukenee metalleja,
kuten Al, Cd, Co, Cu, Ni, Zn ja U. Happamuus ja metallit huuhtoutuvat vesistöihin aiheuttaen
niiden tilan heikkenemistä, mm. kalakuolemia. Vesipuitedirektiivin mukaisessa luokittelussa
varsinkin Pohjanmaan jokivesistöt ovat ekologiselta tilaltaan korkeintaan tyydyttäviä ja
kemialliselta tilataan hyvää huonompia.
HS-maat esiintyvät muinaisen Litorinameren ylimmän rantaviivan alapuolella, joka tänään on
pohjoisessa n. 100 m ja Etelä-Suomessa 30-40 m mpy, muodostaen yli 5 miljoonan hehtaarin
alueen. HS-maiden esiintymisestä tehtiin hajanaisia, paikallisia selvityksiä 1950-luvulla [2] ja
1970-luvulla [3] ja myöhemmin Palko ja muut [4] tekivät useita selvityksiä. Puustinen et al.
[5] tekivät ensimmäisen arvion HS-maiden esiintymistä Suomessa päätyen 336 000
hehtaariin. Yli-Halla et al. [1] laskivat myöhemmin samasta aineistosta pinta-alaksi
korkeintaan 180 000 ha käyttäen kansainvälisiä kriteereitä. Kaikki nämä työt tehtiin käyttäen
vaihtelevia menetelmiä ja kriteereitä.
Viimeisten kymmenen vuoden aikana on kuitenkin alkanut tapahtua. Laajat kalakuolemat
2006-2007 ja EU:n vesipuitedirektiivi saivat aikaan eri toimijoiden laajan yhteistyön, jonka
tuloksena viime vuosina on alettu selvittää HS-maiden esiintymistä ja laatua sekä kehittää
menetelmiä haittojen vähentämiseksi. Maa- ja metsätalousministeriö ja Ympäristöministeriö
laativat 2011 kansallisen strategian HS-maiden haittojen vähentämiseksi [6] ja samana
vuonna valmistui Vesienhoidon toteutusohjelma 2010 – 2015 [7]. Näissä painotetaan HSmaiden kartoituksen nopeaa toteuttamista GTK:n toimesta edellytyksenä saavuttaa LänsiSuomessa pintavesien hyvää tilaa. HS-maat on tunnustettu valtakunnalliseksi ongelmaksi.
HS-maiden systemaattinen kartoitus ja luokitus alkoi 2009 GTK:n toimiessa vastuullisena ja
yhteistyössä Åbo Akademin ja Helsingin yliopiston tutkijoiden kanssa. Samalla on myös
kehitetty kartoitusmenetelmiä, jotka vastaavat sulfaattimaiden kansainvälisiä määreitä ja
28
tuovat esiin ongelma-alueet. Työ jatkui vuoden 2012 loppuun kahden hankkeen puitteissa:
CATERMASS LIFE+ SYKE:n koordinoimana ja HaKu EAKR –hanke (Siikajoki-Pyhäjoki)
MTT:n koordinoimana. Molemmissa on ollut GTK:n vetämä kartoitusosio. TEM ja GTK ovat
sopineet HS-maiden yleiskartoituksen suorittamisesta koko rannikkoalueella vuoden 2015
loppuun mennessä.
Ensimmäinen yleiskartta (1:250 000) on valmistunut Kyrönjoen valuma-alueelta. Kartat,
raportit ja havaintopisteiden tiedot (3 metrin syvyyteen) julkaistaan kaikille avoimessa
verkkopalvelussa. Tehdään myös sulfidikerroksen syvyyteen, pH-arvoon ja rikkipitoisuuteen
perustuva riskiluokitus, jota tarvitaan esimerkiksi jos joudutaan muuttamaan maankäyttöä
joillakin alueilla.
Tuloksista on hyötyä kansallisessa ja alueellisessa suunnittelussa ja päätöksenteossa (YM,
MMM, maakuntaliitot, kunnat, ELY-keskukset, AVI:t), maa- ja metsätaloudessa
(maanviljelijät, MTK, ProAgria, metsäkeskukset, ojitusyhtiöt), turveteollisuudessa,
maarakentamisessa ja konsulttifirmoissa.
Kirjallisuus
[1] Yli-Halla, M., Puustinen, M. & Koskiaho, J. 1999. Area of cultivated acid sulfate soils in
Finland. Soil Use and Manage, 15:62-67.
[2] Purokoski, P. 1959. Rannikkoseudun rikkipitoisista maista. On the S-rich sediments in
coastal areas of Finland. Agrogeol. Julk. 74:7-23.
[3] Erviö, R. 1975. Kyröjoen vesistöalueen rikkipitoiset viljelysmaat. Cultivated sulphate soils
in the drainage basin of river Kyrönjoki. J.Scient.Agric.Soc.Finl. vol. 47:550-561.
[4] Palko, J. 1994. Acid sulphate soils and their agricultural and environmental problems in
Finland. Ph.D. Thesis, Acta Univ. Oul. C 75.
[5] Puustinen, M., Merilä, E., Palko, J. & Seuna, P. 1994. Kuivatustila, viljelykäytäntö ja
vesistökuormitukseen
vaikuttavat
ominaisuudet
Suomen
pelloilla.
Vesija
ympäristöhallituksen julkaisuja - Sarja A 198.
[6] Happamien sulfaattimaiden aiheuttamien haittojen vähentämisen suuntaviivat vuoteen
2020. Maa- ja metsätalousministeriö, Ympäristöministeriö. Maa- ja metsätalousministeriö
2/2011.
[7] Vesienhoidon toteutusohjelma 2010 – 2015. Valtioneuvoston periaatepäätös.
Ympäristöministeriö. Suomen ympäristö 8/2011.
29
Puulajin vaikutus metsikkösadannan, vajoveden ja maaperän kemialliseen
koostumukseen
The effect of tree species on the chemical composition of stand throughfall, percolation water
and forest soil
Antti-Jussi Lindroos1, Kirsti Derome2 ja Aino Smolander1
1
2
Metsäntutkimuslaitos, PL 18, 01301 Vantaa
Metsäntutkimuslaitos, PL 413, 90014 Oulun yliopisto
Puulajilla on havaittu olevan tärkeä vaikutus metsikkösadannan, maaveden ja metsämaan
kemialliseen koostumukseen [1, 2, 3]. Kuusella on esimerkiksi raportoitu olevan metsämaan
happamuutta lisäävä ja vaihtuvien ravinteiden pitoisuuksia alentava vaikutus [esim. 3], kun
taas koivulla voi olla maaperän happamuutta lieventävä ja ravinteisuutta edistävä vaikutus
[esim. 4]. Puulajin vaikutusta metsäekosysteemin läpi kulkevan veden ja maaperän
kemialliseen koostumukseen voidaan parhaiten tutkia puulajikokeilla, joissa muiden
tekijöiden kuin puulajin vaikutus on eliminoitu. Tällaisia puulajikokeita on Suomessa
perustettu mm. Kivaloon Pohjois-Suomeen [2, 5]. Tässä esiteltävän tutkimuksen
tarkoituksena on selvittää koivun, kuusen ja männyn vaikutus metsikkösadannan, vajoveden
ja metsämaan kemialliseen koostumukseen Kivalon puulajikokeella. Tutkimus on osa
Metsäntutkimuslaitoksen hanketta ”Puulaji ja metsämaan ominaisuudet”.
Kivalon puulajikoe koostuu vierekkäisistä koivu-, kuusi- ja mäntyvaltaisista metsiköistä.
Metsiköt sijaitsevat samalla geomorfologisella muodostumalla, joten alkuperäiset
maaperäominaisuudet ja ilmasto-olot ovat olleet samat kaikissa metsiköissä. Maannostyyppi
on podsoli, ja maaperä koostuu pääasiassa moreenista. Tutkimusmetsiköt on perustettu noin
70 vuotta sitten kuusikon päätehakkuun ja kulotuksen jälkeen. Kunkin puulajin metsikköön
on perustettu 3 koealaa (1 ala, 25 m x 25 m). Maanäytteet on otettu maannoshorisonteittain ja
niistä on määritetty pH, C- ja N-pitoisuus, vaihtuvat emäskationit ja happamuus [2]. Jokaisen
puulajimetsikön yhdeltä koealalta on kerätty metsikkösadantaa 20 laskeumakeräimellä ja
vajovettä kolmelta koealalta yhteensä 15 vajovesilysimetrillä orgaanisen kerroksen (O) ja
huuhtoutumiskerroksen (E) alta. Vesinäytteistä on määritetty pH sekä DOC-, Ca-, Mg-, Na-,
Al- ja Si-pitoisuudet ja tehty vajovesinäytteille Al-fraktiointi [2]. Vesinäytteistä on lisäksi
määritetty NH4-N-, NO3-N- ja DON-pitoisuudet.
Korkeimmat metsikkösadannan, vajoveden ja maaperän pH-arvot mitattiin koivualalla [2].
Alustavien tulosten mukaan metsikkösadannan ja vajoveden DON-, NH4-N- ja NO3-Npitoisuuksissa ei ollut suuria eroja eri puulajien välillä. Vajoveden NO3-N-pitoisuudet olivat
hyvin matalia kaikilla puulajeilla ja vertailukelpoisia suomalaisista metsämaista yleensä
mitattaviin arvoihin [6]. DON oli vajovedessä vallitseva typen muoto. Puulajilla ei ollut
myöskään suurta vaikutusta vajoveden DOC-pitoisuuksiin. Koivikon, kuusikon ja männikön
vajoveden kokonais-Al-pitoisuudesta pääsosa koostui orgaanisista Al-komplekseista [2].
Vaikka esimerkiksi maan hiilen ja typen kierron prosesseissa on havaittu eroja puulajien
välillä, puulajin vaikutus oli tässä työssä mitattujen useiden tunnusten osalta melko vähäinen.
Koivun happamuutta lieventävä vaikutus tuli kuitenkin selvästi esille.
Kirjallisuus
[1] Hyvärinen, A. 1990. Deposition on forest soils - effects of tree canopy on throughfall.
Teoksessa: Kauppi, P., Anttila, P. and Kenttämies, K. (toim.), Acidification in Finland,
Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, s. 199-213.
[2] Lindroos, A.-J., Derome, J., Derome, K. and Smolander, A. 2011. The effect of Scots
pine, Norway spruce and silver birch on the chemical composition of stand throughfall and
upper soil percolation water in northern Finland. Boreal Environment Research 16: 240-250.
30
[3] Priha, O. and Smolander, A. 2000. Role of tree species in determining soil fertility.
Teoksessa: Mälkönen, E. (toim.), Forest Condition in a Changing Environment - The Finnish
Case. Kluwer Academic Publishers, Netherlands. s. 289-295.
[4] Smolander, A. and Kitunen, V. 2011. Comparison of tree species effects on microbial C
and N transformations and dissolved organic matter properties in boreal forest floors. Applied
Soil Ecology 49: 224-233.
[5] Smolander, A. and Kitunen, V. 2002. Soil microbial activities and characteristics of
dissolved organic C and N in relation to tree species. Soil Biology & Biochemistry 34: 651660.
[6] Derome, J., Lindroos, A.-J., Derome, K. and Niska, K. 2001. Soil solution - an indicator of
nutrient availability, soil acidification, and soil-forming processes. The Finnish Forest
Research Institute, Research Papers 824: 89-100.
31
Ilmaston lämpenemisen vaikutuksia
metanogeeni- ja metanotrofiyhteisöihin
eteläisen
ja
pohjoisen
suon
Microbial communities of methane cycle in boreal peatlands under a warming climate
Krista Peltoniemi1, Heli Juottonen2, Raija Laiho1, Mikko Peltoniemi1, Timo Penttilä1, Henri
Siljanen4, Tero Tuomivirta1 ja Hannu Fritze1
1
Metsäntutkimuslaitos, Vantaa
Biotieteiden laitos, Helsingin yliopisto
4
Ympäristötieteiden laitos, Itä-Suomen yliopisto
2
Johdanto
Suot ovat tärkeitä hiilen varastoja ja ilmakehän hiilen lähteitä. Soiden hiiltä vapautuu
ilmakehään mikrobitoiminnan tuloksena hiilidioksidina ja metaanina. Metaanin säteilypakote
on noin 25 kertaa suurempi kuin hiilidioksidin, mikä tekee siitä voimakkaan
kasvihuonekaasun. Soiden metaanin kiertoa ja sen pääsyä ilmakehään säätelevät sitä tuottavat
anaerobiset metanogeeniset arkit ja sen hapetuksesta vastaavat aerobiset metanotrofiset
bakteerit. Suon luonnostaan korkea vedenpinnan taso voi ilmaston lämpenemisen seurauksena
alentua [1, 2], mikä voi aiheuttaa muutoksia metaanin kiertoon. On arvioitu, että kolmen
asteen muutos lämpötilassa alentaisi boreaalisen suon vedenpintaa noin 14-22 cm [3].
Lämpötilan kohoamisen tiedetään vaikuttavan suoraan soiden metaanivuohon [4], mutta
ilmaston lämpenemisen suorista ja epäsuorista vaikutuksista metaania tuottaviin ja sitä
hapettaviin mikrobiyhteisöihin on yhä vähän tietoa. Tutkimuksessa selvitettiin soiden
metaanin kiertoon osallistuvien mikrobiryhmien toiminnan ja yhteisörakenteen muutoksia
ilmaston lämpenemisen vaikutuksia jäljittelevän kenttäkokeen avulla.
Aineisto ja menetelmät
Tutkimuksen kohteeksi valittiin kaksi runsasravinteista avointa saranevaa: eteläinen Lakkasuo
(61°48' N; 24°19' E) ja pohjoinen Lompolojänkkä (67°60' N; 24°12' E). Kenttäkokeessa suon
pintaa on lämmitetty vuodesta 2008 ylhäältä avoimilla pleksimuovista tehdyillä kammioilla
(open-top-chambers, OTC), joiden passiivinen lämmitys jäljittelee ilmaston lämpenemistä [5,
6]. Koealue muodostuu luonnontilaisesta käsittelemättömästä kontrollialasta ja alasta, jonka
vedenpinnan taso on kevyesti ojittamalla alennettu jäljittelemään ilmaston lämpenemisen
aiheuttamaa vedenpinnan tason alenemista. Sekä kontrollialan että kevyesti ojitettu ala
sisältää kolme kammiolämmitysalaa ja niiden lämmittämätöntä kontrollialaa. Kaikilta aloilta
otettiin 2011 turvekairanäytteet, jotka jaettiin 10 cm:n osanäytteisiin syvyyden mukaan.
Metaanin tuotto- ja hapetuspotentiaalit mitattiin kaasukromatografisesti. Mikrobien
lukumäärä näytteissä arvioitiin kvantitatiivisella PCR-menetelmin metanotrofeille ja
metanogeeneille spesifisten pmoA- ja mcrA- merkkigeenien avulla. Kunkin turvekairan
kaikkein aktiivisimmin metaania tuottavasta ja hapettavasta osanäytteestä eristettiin pmoA ja
mcrA-geenien lähetti-RNA:ta, joista komplementaariseksi käännetyn DNA:n avulla
määritettiin aktiiviset metanotrofit mikrosirutekniikalla (microrarray) ja metanogeenit TRFLP-sormenjälkimenetelmällä. Suon pinnan lämmityksen ja vedenpinnan alentamisen
vaikutuksia kaasupotentiaaleihin ja geenikopiomääriin arvioitiin lineaaristen sekamallien
avulla
(R-ohjelmisto).
Yhteisörakennetta
tarkasteltiin
binaarimatriisidatasta
redundanssianalyysillä (RDA) (CANOCO).
Tulokset ja tarkastelu
Vedenpinnan alentaminen pienensi molempien soiden metaanin tuottopotentiaalia ja
pohjoisen suon metaanin hapetuspotentiaalia. Tyypin II metanotrofimäärät (2.6 × 105 – 1.3 ×
102 pmoA kopiota grammassa kuivaa turvemaata) ja metanogeenimäärät (1.0 × 107 – 1.5 × 104
mcrA kopiota grammassa kuivaa turvemaata) korreloivat kaasuaktiivisuustulosten kanssa vain
eteläisellä suolla. Mikrobien spatiaaliset erot turvenäytteissä johtuen kolmen rinnakkaisen
32
näytepaikan heterogeenisyydestä voivat selittää ainakin osaksi heikkoa korrelaatiota
pohjoisella suolla. Suon pinnan lämmitys tai vedenpinnan alentaminen ei vaikuttanut
aktiivisimman metanogeeniyhteisön rakenteeseen kummallakaan suolla, mutta vedenpinnan
tason aleneminen selitti noin 20% suon aktiiviseen metanotrofiyhteisön vaihtelusta
pohjoisella suolla. Suon pinnan lämmitys ei suoraan vaikuttanut kaasupotentiaaleihin, eikä
mikrobiyhteisöjen rakenteeseen. Mikrobiyhteisöt eivät osoittaneet erityistä herkkyyttä
muutaman asteen suon pinnan lämpötilan muutokselle tai passiiviseen lämmitykseen
perustuvan kammiomenetelmä ei riitä aiheuttamaan mikrobiyhteisön muutoksia pintaa
syvemmälle ainakaan lyhyellä aikavälillä. Vaste lämpenemiseen saattaa tulla esille vasta
pidemmän ajan kuluttua kasvillisuuden muutosten kautta, koska mikrobien aktiivisuuden ja
yhteisön muutoksia havaittiin kuitenkin koealoilla, jossa vedenpinnan tasoa oli alennettu.
Tulokset osoittivat pohjoisen ja eteläisen metanotrofi- ja metanogeenilajiston välillä olevan
eroja. Vaikka tyypin II metanotrofit olivat vallitseva ryhmä molemmilla soilla, pohjoiselta
suolta löytyi havaintoja tyypin 1a ja 1b metanotrofeihin, joita ei eteläiseltä suolta havaittu.
Myös pohjoisen ja eteläisen metanogeenilajiston välillä havaittiin alustavia eroja, vaikka
lajisto tarkentuu vasta kloonikirjastojen sekvenssianalyysin jälkeen. Tutkimustuloksemme
antavat viitteitä siitä, että pohjoisen suon metanotrofiyhteisöt olisivat alttiimpia muutoksille,
joita suon vedenpinnan tason aleneminen aiheuttaa. Varmuudella ei voida sanoa, voivatko
erot eteläisen ja pohjoisen suon aktiivisten mikrobiyhteisöjen välillä viitata sopetumiseen
tiettyihin ilmasto-olosuhteisiin tai muihin ympäristötekijöihin soiden välillä.
Kirjallisuus
[1] Gorham, E. 1991. Northern peatlands: role in the carbon cycle and probable responses to
climatic warming. Ecological Applications 1: 182-195.
[2] Roulet, T., Moore, J., Bubier, J. ja Lafleur, P. 1992. Northern fens: methane flux and climate
change. Tellus B 44: 100–105.
[3] Moore, P.D. 2002. The future of cool temperate bogs. Enviromental Conservation 29: 3–20.
[4] Whalen S.C. 2005. Biogeochemistry of methane exchange between natural wetlands and the
atmosphere. Environmental Engineering Science. 22: 73-94.
[5] Marion, G.M., Henry, G.H.R., Freckman, D.W., Johnstone, J., Jones, G., Jones, M.H.,
Levesque, E., Molau, U., Mølgaard, P., Parsons, A.N., Svoboda, J. ja Virginia R.A. 1997. Opentop designs for manipulating field temperature in high-latitude ecosystems. Global Change
Biology 3 (Suppl. 1): 20–32.
[6] Hollister, R.D. ja Webber, P.J. 2000. Biotic validation of small open-top chambers in a tundra
ecosystem. Global Change Biology 6: 835-842.
33
Arseenin kulkeutuminen Yara Suomi Oy:n Siilinjärven tehdasalueella
Migration of arsenic in Yara Suomi Oy industrial area at Siilinjärvi
Kaisa Turunen1, Soile Backnäs1 ja Antti Pasanen1
1
Geologian tutkimuskeskus, PL 1237, 70211 Kuopio. [email protected]
Arseeni (As) on puolimetalli, joka muodostaa luonnossa kompleksisia anioneja ja orgaanisia
yhdisteitä. Arseeni on herkkä hapetus-pelkistysprosesseille ja liukoinen laajalla
hapetusastevälillä. Maaperässä arseenin liikkumista rajoittavat voimakas sitoutuminen
savekseen, hydroksideihin, vesipitoisiin oksideihin ja orgaaniseen ainekseen. Ympäristön
arseenipitoisuus riippuu pääosin kallioperän arseenipitoisista mineraaleista. Arseenia esiintyy
yleisesti malmi- ja teollisuusmineraaleissa, eikä sen käsittelyä voida välttää
kaivosprosesseissa tai maa- ja kiviainestuotannossa. Arseeni voi kaivannaistoiminnan
seurauksena kuitenkin vaarantaa veden laadun ja aiheuttaa merkittävän terveysriskin ihmiselle
sekä ekologisen riskin ympäristölle1.
Tutkimuksen kohde Yara Suomi Oy:n tehdasalue ja apatiittikaivos, sijaitsevat Siilinjärvellä
noin 20 km Kuopiosta pohjoiseen. Tehdas aloitti toimintansa vuonna 1969 ja avolouhos
vuonna 1979. Tehtaassa tuotetaan pääasiallisesti lannoitteita sekä rikkihappoa. Siilinjärven
tehtaalla syntyy rikkihapon valmistuksen sivutuotteena noin 250 000 t/v rautapasutetta
(Fe2O3), jota on läjittettynä tehdasalueelle 6–7 milj. tonnia. Pasutteesta 66 % on rautaa ja sen
arseenipitoisuus 500 mg/kg ylittää maaperälle asetetun ylemmän ohjearvon (100 mg/kg)2.
Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia pasutekasan ympäristön arseenipitoisuuksia ja verrata niitä
taustapitoisuuteen. Lisäksi kartoitettiin arseenin kulkeutumisreittejä ympäristöön sekä
selvitettiin arseenin kulkeutumisesta kaivosalueen ulkopuolelle aiheutuvia riskejä.
Pasutekasaa ympäröivät kaksinkertaiset kierto-ojat, joista sisempi oja kerää pasutteen suotoja valumavedet suotovesialtaisiin (kuva 1). Ympäristön valumavedet ohjataan ulompaan ojaan
ja tästä edelleen kahden tarkkailuojan kautta Juurusveden Kuuslahteen. Pasutekasan ja
altaiden alla olevassa kallioperässä on ruhje, johon kerääntyy likaantunutta pohjavettä
pasutekasalta. Haitta-aineiden suotautumista ruhjeen kautta ympäristöön estetään
suojapumppausten avulla2. Alueen kallio- ja maaperä ovat luontaisesti arseeniköyhiä.
Pasutekasan alueen kallioperä koostuu pääasiallisesti arkeeisesta pohjagneissikompleksista.
Alueen maaperä on pääasiassa hienoaines- ja hiekkamoreenia. Tutkimusalueelta kerättiin 55
maaperä- ja sedimenttinäytettä sekä 14 vesinäytettä. Taustanäytteet otettiin 5 km
tutkimusalueesta pohjoiseen. Näytteiden kuningasvesi-, ammoniumoksalaatti- ja
ammoniumasetaattiuuttojen avulla tutkittiin alkuaineiden pitoisuuksia, saostumiin sitoutuneen
arseenin määrää sekä biosaatavuutta1. Pohja-, oja- ja järvivesinäytteistä analysoitiin metallien
ja metalloidien kokonais- ja liukoiset pitoisuudet, anionit, DOC, TOC, pH, redox ja
alkaliniteetti. Metallien esiintymismuotoja pinta- ja pohjavesissä mallinnettiin PhreeqCohjelmalla.
Arseenia esiintyy merkittävimmin humuksessa ja maannosvyöhykkeessä, mikä johtuu
pasutekasan pölyvaikutuksista. Maaperälle asetettu ylempi ohjearvo (100 mg/kg) ylittyi vain
sisemmän kierto-ojan sedimenttinäytteessä, suotovesialtaan pohjasedimenttinäytteessä sekä
pasutekasan läheltä otetussa humusnäytteessä (kuva 1). Maanäytteissä asetaatti- ja
oksalaattiliukoisen arseenin määrät olivat keskimäärin 5–15 % ja 20–45 %
kuningasvesiliukoisen arseenin määrästä. Ojasedimenteissä asetaatti- ja oksalaattiliukoisen
arseenin pitoisuudet kuningasvesiliukoisesta arseenista olivat noin 10 % ja 0–45 %, joten
arseenin kokonaispitoisuudesta huomattava osa on kasveille saatavaa sekä kemiallisesti
adsorboituneena maaperän saostumiin. Kuuslahden pohjasedimentin arseenipitoisuus ylittää
34
ruoppausmassoille asetetun 1 tason laatukriteerin (15 mg/kg), muttei ylitä alempaa ohjearvoa
(50 mg/kg).
Vaikka arseenia esiintyy korkeinakin pitoisuuksina pasutekasan välittömässä ympäristössä,
pohja- ja pintavesien pitoisuudet ovat alhaisia. Arseenille asetetut talousveden raja-arvo (10
µg/l) sekä pohjaveden ympäristönlaatunormi (5 µg/l) ylittyivät vain pasutekasan
suotovedessä, suojapumppauksen vesissä sekä yhdessä pohjavesiputkessa. Järviveden
arseenipitoisuus oli Kuuslahdessa vain noin 0,3 µg/l. Geokemiallisen mallinnuksen
perusteella arseenia esiintyy pohja- ja pintavedessä sekä kolmen että viidenarvoisena. Kun
pohjaveden pH oli alle 6, arseenia esiintyi pääasiassa kolmenarvoisena arseenihappona
(H3AsO3), kun taas pH nousi arvoon 6,2, noin 88 % arseenista esiintyi viidenarvoisena
arsenaattina (H2AsO4-). Arseeni esiintyy suojapumppauksien vesissä sekä oja- ja järvivedessä
pääasiassa viidenarvoisina arsenaatti-yhdisteinä (H2AsO4- ja HAsO42-) riippumatta veden
happamuudesta. Koska As(V) on vähemmän toksinen kuin As(III) ja Kuuslahteen laskevien
ojien suussa arseenin pitoisuus on alhainen, siitä ei näyttäisi aiheutuvan vaaraa vesieliöille.
Arseenin huuhtoutuminen pinta- ja pintakerrosvalunnan kautta sekä pölypäästöt ovat
merkittävimmät kulkeutumisreitit Kuuslahteen. Pasutekasan ympäristövaikutusten kannalta
onkin tärkeää minimoida kasan pölypäästöjä ja estää myös jatkossa suotovesien
kulkeutumista ympäristöön suojapumppausten avulla.
Kuva 2. Pasutekasa ja näytepisteet Yara Suomi Oy:n tehdasalueella Siilinjärvellä.
Kirjallisuus
[1] Loukola-Ruskeeniemi K. ja Lahermo P. 2004. Arseeni Suomen luonnossa,
ympäristövaikutukset ja riskit. Geologian tutkimuskeskus, 135–152.
[2] Itä-Suomen ympäristölupavirasto 2006. Kemphos Oy, Kemira Oyj ja Minelco Oy,
yhtiöiden Siilinjärven tuotantolaitoksia koskeva ympäristölupa ja Kemphos Oy:n
vesitalouslupa, Siilinjärvi. Päätös 79/06/02. Dnro ISY-2004-Y-272.
35
Mikrobit PAH saasteen indikaattoreina: malliesimerkkinä vanha
puukyllästämö kohde Kaakkois-Suomessa
Microbes as proxies for PAH pollution: case study of an old creosote polluted
site in Southeastern Finland
Kim Yrjälä1, Pauli Siivonen1, Cosme Lloret Quesada1, Pertti Pulkkinen2 ja Shinjini
Mukherjee1
1
2
MYM-ryhmä, Biotieteiden laitos, 00014 Helsingin Yliopisto
Metsäntutkimuslaitos, Haapastensyrjän yksikkö, Haapastensyrjäntie 34, FI-12600 Läyliäinen
Introduction
Creosotes have commonly been used as wood preservatives for railroad ties/ railway sleepers.
Primary chemicals of concern with harmful health effects are polycyclic aromatic
hydrocarbons (PAHs), phenols, and creosols. An old wood preservation facility in
Somerharju, Finland, was studied where creosote oil has been used to impregnate railroad
sleepers 1947-1958 resulting in high concentrations of creosote in the adjacent soil causing
also ground water contamination. A phytoremediation project has been started (2012) for
cleaning up the polluted soil by METLA and the University of Helsinki. The environmental
pre-evaluation of the site has been done and the level and spread of contamination in the area
is known. The activities of the polluted soil were studied. Hybrid poplars suited for
rhizoremediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soils will be planted on the site.
Materials and Methods
The area of the wood preservation site is ca 7 hectares of which ca. 1.7 hectares is polluted.
The intensively polluted zone has been divided to 20 x 20 m2 plots and outside the intensive
zone in 40 x 40 m2 plots. A detailed analysis of 15-20 different PAHs, oil hydrocarbons and
heavy metals was carried out by Golder Associates. Thirty-two soil sampling points were
chosen from the 20x20 m2 plots representing all the polluted plots of the intensive zone. Five
subsamples were collected from each single plot and mixed to a composite sample; depth of
sampling was 10-50 cm.
Mapping of vegetation was performed and soil nutritional and physical parameters were
determined for the whole area.
Fluorescein diacetate is used to measure enzymatic activity from soil samples [1]. Potential
nitrification activity is measured from soil samples by incubating soil in NH4+ containing
solution. Produced NO2 content is measured colorimetrically using the Griess reagent. Soil
respiration is measured by GC. Plate count is done for five different soil pollution levels.
Tryptic Soy Agar, R2A Agar and Bushnell Hass media were chosen to represent both rich and
poor nutrient sources. In the BH agar phenanthrene and fluorene were the only sources of
carbon [2].
The inherent biodegradation potential was assessed by analysing structural and functional
microbial diversity [3,4]. Bacterial community structure was determined by T-RFLP
fingerprinting of 16S rRNA genes. For an in-depth investigation of the bacterial populations
and catabolic potential of the site, 454 amplicon sequencing of 16S rRNA, bphC and alkB
genes is being carried out.
Results and Discussion
The soil of the area is mainly fine sand. Scots pines together with some birches, aspens and
willows constitute the vegetation of the site. Ground vegetation is mainly lichens, and some
hay species, indicating that the soil has low nutrient and moisture levels. Chemical data
analysis revealed pollution gradients of PAHs and oil hydrocarbons. Soil respiration
measurements indicated that at medium PAH pollution levels soil respiration is low, whereas
high pollution levels seem to induce an increase in soil respiration rates. Analysis of bacterial
36
community structures showed changing communities across gradients and in different soil
strata (layers).
Fig. 1: The effect of PAH pollution on soil respiration rate. The sample squares of the
polluted area are marked with numbered capital letters. The respiration values are mean
values of two replicate analyses.
References
[1] Green, V., Stott, D. and Diack, M. 2006. Assay for fluorescein diacetate hydrolytic
activity: optimization for soil samples. Soil Biology and Biochemistry 38: 693-701.
[2] Bushnell, L. and Haas, H. 1941. The utilization of certain hydrocarbons by
microorganisms. Journal of Bacteriology 41: 653.
[3] Sipilä, T.P., Keskinen, A.K., Åkerman, M.L., Fortelius, C., Haahtela, K., and Yrjälä, K.
2008. High aromatic ring-cleavage diversity in birch rhizosphere: PAH treatment-specific
changes of IE 3 group extradiol dioxygenases and 16S rRNA bacterial communities in soil.
The ISME journal 2: 968-981.
[4] Yrjälä, K., Keskinen, A.K., Åkerman, M.L., Fortelius, C., and Sipilä, T.P. 2010. The
rhizosphere and PAH amendment mediate impacts on functional and structural bacterial
diversity in sandy peat soil. Environmental Pollution 158:1680-1688.
37
Euroopan komission ohjeet parhaista käytännöistä rajoittaa, vähentää tai
kompensoida maaperän sulkemista rakentamisella
Commission Staff Working Document – Guidelines on best practice to limit, mitigate or
compensate soil sealing
Teija Haavisto1 ja Kaarina Laakso2
1
2
Suomen ympäristökeskus
Helsingin kaupungin kaupunkisuunnitteluvirasto
Johdanto
Maaperän sulkeminen rakentamisella tarkoittaa tietyn alueen ja sen maaperän pysyvää
peittämistä läpäisemättömällä keinotekoisella materiaalilla, kuten asfaltilla tai sementillä.
Euroopan komission maaperänsuojelustrategiassa [1] maaperän sulkeminen rakentamalla
katsottiin yhdeksi merkittävimmistä maaperän huonontumisprosesseista. Komissio pyrkii
edistämään maaperänsuojelustrategian toteutumista integroimalla maaperänsuojelua osaksi eri
yhteiskunnan osa-alueita koskevia politiikkoja. Tiedonannossa Etenemissuunnitelma kohti
resurssitehokasta Eurooppaa [2] ehdotetaan muun muassa, että rakentamattoman maan
ottaminen rakennuskäyttöön lopetetaan vuoteen 2050 mennessä. Vuonna 2012 komissio
julkaisi ohjeet parhaista käytännöistä rajoittaa, vähentää tai kompensoida maaperän
sulkemista rakentamisella [3]. Valmistelutyön yhteydessä kerättiin tietoja EU-jäsenmaiden
maankäytön suunnittelusta, maaperän suojelusta ja rakennusteknisistä ratkaisuista, jotka on
koottu julkaisuksi. [4] Tässä esityksessä esitellään annettua komission ohjetta.
Maaperän sulkeminen rakentamisella Euroopassa
Eurooppa on yksi maailman kaupungistuneimmista maanosista. Noin 75 % Euroopan
väestöstä asuu nykyään kaupunkialueilla ja vuonna 2020 osuuden arvioidaan olevan 80 % [5].
1950-luvun puolivälistä kaupunkien pinta-ala on kasvanut 78 % , kun väestö on kasvanut vain
33 % [6] Kaupunkirakenteen hajautuminen ja harvan kaupunkirakenteen leviäminen ovat
kestävän aluekehityksen suurimpia uhkia mm. maaperän ekosysteemipalveluiden
heikentymisen ja luonnon monimuotoisuuden vähenemisen vuoksi.
Komission ohjeet
Komission valmisteluasiakirjan aluksi luvussa 2 määritellään keskeisiä käsitteitä,
tarkastellaan nykytilannetta ja kehityssuuntia sekä tekijöitä, jotka lisäävät maaperän
sulkemista. Luvussa 3 tarkastellaan maaperän sulkemisen vaikutuksista ja tarkastelua
täydentää liite 4. Jäsenvaltioiden, alueiden ja kuntien parhaista käytännöistä esitellään
esimerkkejä luvussa 4. Esitettyjen ratkaisujen yhteisiä piirteitä tarkastellaan luvussa 5.
Luvuissa 6, 7 ja 8 tarkastellaan rajoittamis-, lievennys- ja kompensointitoimenpiteitä. Ohjeen
lopuksi luvussa 9 käsitellään keinoja lisätä tietoa ja tietoisuutta maaperän
luonnontaloudellisesta ja yhteiskunnallisesta merkityksestä, maankäytön suunnittelusta sekä
maaperän sulkemisesta.
Maaperän
sulkemisen
rajoittamisella
tarkoitetaan
rakentamattomien
alueiden
käyttötarkoituksen muuttamisen ja niiden maaperän (tai osan sitä) umpeen rakentamisen
estämistä. Tämä käsite voi sisältää myös ympäristövaurioalueiden ja muiden jo rakennettujen
alueiden uudelleenkäytön. Maaperän umpeen rakentamista rajoitetaan myös luomalla
kannustimia tyhjillään olevien rakennusten vuokraamiselle.
Lievennystoimenpiteillä pyritään säilyttämään osa maaperän toiminnoista ja vähentämään
ympäristölle ja ihmisten hyvinvoinnille aiheutuvia merkittäviä suoria tai välillisiä haittoja,
silloin kun maaperän sulkemista rakentamisella ei voi välttää. Tällaisia toimenpiteitä voivat
38
olla esimerkiksi läpäisevien materiaalien käyttö sementin tai asfaltin sijaan, vihreän
infrastruktuurin suosiminen sekä luonnonmukaisten veden johtamisjärjestelmien käytön
lisääminen.
Jos rakentamispaikalla toteutettuja vähentämistoimenpiteitä ei pidetä riittävinä, pyritään
kompensointitoimenpiteillä säilyttämään tai palauttamaan tietyllä alueella maaperän
toimintakyky – tai suurin osa siitä esimerkkisi ennallistamalla tai parantamalla maaperän
toimintakykyä toisaalla tietyn alueen sisällä.
Kirjallisuus
[1] Komission tiedonanto, neuvostolle, Euroopan parlamentille, Euroopan talous- ja
sosiaalikomitealle sekä alueiden komitealle - Maaperän suojelua koskeva teemakohtainen
strategia (KOM(2006) 231)
[2] Komission tiedonanto Euroopan parlamentille, neuvostolle, Euroopan talous- ja
sosiaalikomitealle sekä alueiden komitealle - Etenemissuunnitelma kohti resurssitehokasta
Eurooppaa (KOM(2011) 571).
[3] Komission yksiköiden valmisteluasiakirja – Ohjeet parhaista käytännöistä, joilla
rajoitetaan, vähennetään tai kompensoidaan maaperän sulkemista rakentamisella. SWD(2012)
101 final/2
http://ec.europa.eu/environment/soil/pdf/guidelines/FI%20-%20Sealing%20Guidelines.pdf
[4] Prokop, G., Jobstmann, H. & Schönbauer, A. 2011. Overview of best practices for limiting
soil sealing or mitigating its effects in EU-27. Technical Report - 2011 – 050. European
commission,environment.
http://ec.europa.eu/environment/soil/pdf/sealing/Soil%20sealing%20%20Final%20Report.pdf
[5] EEA 2010. The European environment – State and Outlook 2010: Urban environment.
European environment Agency.
[6] EEA 2006. Urban sprawl in Europe – The ignored challenge. European Environment
Agency report 10/2006.
39
Maatalouspolitiikan tarjoamat keinot sopeutua ilmastonmuutokseen
Adaptation to climate change by agri-environmental policy
Katri Rankinen1, Pirjo Peltonen-Sainio2, Mikko Laapas3, Kalle Sippel1, Kirsti Granlund1,
Pentti Seuri4 ja Juha Helenius5
1
Finnish Environment Institute. PL 140, FI-00251 Helsinki
Agrifood Research Finland
3
Finnish Meteorological Institute
4
Agrifood Research Finland
5
University of Helsinki
2
Abstract
An agri-environmental subsidy program that states water protection as one of its main
objectives has been in place in Finland since 1995. The programme is also the main tool
within Water Framework Directive (WFD) to control nutrient load from agricultural areas.
The annual agri-environmental support totals some 300 M€ and forms a significant part of
Finland’s environmental policy expenses. Policy can attempt to influence agricultural
practices such as crop choice, set aside, fertilizer application rates, tillage system, and the
adoption of water protection measures. Recently, Prime Minister Matti Vanhanen set a
national target for nutrient re-cycling in Finland (Baltic Sea Action Summit 2010) recognising
the problem that energy and nutrients are resources not to be wasted.
Risks for surface and groundwater quality are seen in Finland’s National Strategy for
Adaptation to Climate Change. Expected increase in temperature by 3-6 oC and precipitation
by 10-20% will lead to milder winters and increase in non-point source loading from
catchments dominated by agriculture due to enhancing runoff, floods and decay of organic
matter. As a result eutrophication of waters will increase. At the same time conditions during
growing season will change leading to changes in agriculture and crop production.
In this work we created story-lines for agricultural production influenced by climate change
(Figure 1) on a small agricultural catchment in southern Finland. We used dynamic,
catchment scale model to simulate the influence of increased precipitation and temperature on
runoff (Figure 2) and nutrient leaching with and without different water protection methods,
including the changes in production and field use.
By 2040-2069 maximum increase in nutrient and suspended sediment loading due to climate
change is moderate (Figure 3). Inorganic N loading may increase by 10% in storyline Protein
cro,s and suspended sediment loading in storyline Monoculture. On the other hand, this study
showed that it is also possible to decrease both inorganic N and suspended sediment loading
by correct combination of crop and water protection methods. The most effective method to
reduce inorganic N loading is Nutrient cycling (organic farming) though that happens on the
cost of yield. If the target is to reduce suspended sediment loading, considerably, more
effective and/or targeted measures are needed.
Acknowledgements
We would like to thank EU LIFE+ project VACCIA and EU Baltic Region project
BERAS for financing this study.
40
Figure 1. Scenario of crop diversification in 2025
Figure 2. Simulated change in discharge
Figure 3. Changes in inorganic nitrogen and suspended sediments loading
41
Metsätalous ja pohjavesi
Forestry operations and groundwater
Sirpa Piirainen1
1
Metsäntutkimuslaitos, Joensuun yksikkö, PL 68, 80101 Joensuu, puh. 0503913188, email:
[email protected]
Juomakelpoinen pohjavesi on yksi tärkeimmistä metsiemme ekosysteemipalveluista, sillä
pohjaveden varassa on 60 % Suomen talouksista ja määrän ennustetaan nousevan.
Metsätalous on pääasiallinen maankäyttömuoto luokitelluilla (I,II ja III-luokka)
pohjavesialueilla, sillä suurin osa sijaitsee metsätalousmaalla. Koko metsätalousmaan alasta
pohjavesialueet kattavat vain n. 3 %. Eri metsätalouden toimijoiden metsänkäsittelyohjeissa ja
–suosituksissa pohjavesialueiden erikoisluonne on otettu huomioon, sillä pohjavettä
suojellaan pilaantumiselta sekä Ympäristösuojelulailla että Vesilailla. Viime vuosina
pohjavesialueille on tehty ELY-keskusten ja kuntien toimesta myös vapaaehtoisia
suojelusuunnitelmia, joiden tarkoituksena on tunnistaa riskit ja ennaltaehkäistä pohjaveden
pilaantuminen. Myös metsätalous on nähty entistä useammin vakavana riskinä pohjaveden
pilaantumiselle.
Tutkimustieto metsätalouden pohjavesivaikutuksista on hajanaista. Toimenpiteitä, joita jo
vältetään pohjavesialueiden metsänhoidossa, ovat mm. kulotus, lannoitus, torjunta-aineiden
käyttö, ojitus, voimakkaat maanmuokkaukset ja kannonnosto, vaikka näyttö niiden
haitallisista vaikutuksista puutuu. Metsätalouden ohjeita kirjoitettaessa on toimittu
varmuusperiaatteella eli mahdollisesti haittaa aiheuttavat toimenpiteet on karsittu
toimenpideluettelosta. Uusin tutkimustieto esimerkiksi hakkuutähteiden korjuun ja
kannonnoston pohjavesivaikutuksista ei tue aikaisempia uhkakuvia [1]. Pohjavesialueen
lisäksi myös sitä ympäröivän muun alueen maankäytöllä voi olla pohjaveteen vaikutusta.
Viimeaikaisissa tutkimuksissa on osoitettu, että pohjavesialueen reuna-alueen suon
hydrologian muutoksilla vaikutetaan myös itse pohjavesialueen vesitaseeseen [2].
Tutkimustietoa metsänhoidon positiivisista vaikutuksista pohjaveden laatuun on vähäistä.
Ravinteiden otto ja sitoutuminen biomassaan on nuorissa kasvavissa metsissä huomattavasti
tehokkaampaa kuin vanhoissa metsissä, joissa kasvu on jo taantunut. Kasvillisuuden
aktiivinen juuristo toimii siis myös eräänlaisena suodattimena maassa. Hyvin hoidettu metsä
on vastustuskykyisempi myös esimerkiksi hyönteistuhoja vastaan.
Esityksen tarkoituksena on koota yhteen tutkimustieto metsän ja metsätalouden eri
toimenpiteiden vaikutuksista pohjaveden määrään ja laatuun. Lisäksi keskustellaan
tietotarpeista mitä pohjaveteen ja metsiin sekä metsätalouteen liittyy. Esimerkiksi
ilmastomuutos asettaa uusia haasteita pohjavesialueiden metsänhoitosuosituksiin. Pohjaveden
lisäksi myös pohjaveden varassa eläviin ekosysteemeihin pitää kiinnittää entistä enemmän
huomiota.
Kirjallisuus
[1] Asikainen, A., Ilvesniemi, H., Sievänen, R., Vapaavuori, E. and Muhonen, T. (toim.).
2012. Bioenergia, ilmastonmuutos ja Suomen metsät. Metlan työraportteja / Working Papers
of the Finnish Forest Research Institute 240. 211 s.
[2] Rossi, P. M., Ala-aho, P., Ronkanen, A. and Kløve, B. 2012. Groundwater–surface water
interaction between an esker aquifer and a drained fen. Journal of Hydrology 432–433(0): 5260.
42
Havaintoja katupuiden kasvualustojen hiilivarastosta
Observations of organic carbon in street tree soils
Anu Riikonen, Mari Mäki ja Eero Nikinmaa
Metsätieteiden laitos, PL 27, 00251 Helsingin yliopisto
Johdanto
Kaupungit pyrkivät yhä useammin hiilineutraaliin talouteen niin Suomessa kuin EU:ssakin.
Viheralueet vastaavat kaupungissa pääasiallisesti hiilen sidonnasta ja muistakin
ekosysteemipalveluista. Ekosysteemipalvelujen taloudellinen arvo on tunnettava, jotta
viherrakenteen asema kaavoituksessa voidaan säilyttää. Viherrakenteen kasvillisuuden
sitomaa hiiltä on pyritty arvioimaan esimerkiksi Helsingin viheralueiden osalta, mutta
maaperän hiilivarastot puuttuvat toistaiseksi arvioista kokonaan. Kuitenkin maaperään sidottu
hiili muodostaa boreaalisella vyöhykkeellä oleellisen osan ekosysteemin hiilivarastosta.
Maaperän hiilenkierron prosessit ovat hitaita ja maan hiilivaraston kertyminen on hidasta,
urbaanin maankäytön muutokset puolestaan nopeita. Kaupunkimaan hiilivarastoon
vaikuttavat prosessit tunnetaan melko hyvin laadullisesti, mutta määrällisesti heikosti [1].
Kaupunkimaassa tapahtuu toistuvia häiriöitä ja maa-aineksen siirtoja; rakentamisessa
hiilirikas pintamaa kuoritaan pois, mutta toisaalta tilalle voidaan tuoda runsaasti orgaanista
ainesta sisältäviä kasvien kasvualustoja. Aluksi hiiltä vapautuu kasvualustoista, mutta
myöhemmin kasvillisuuden kehittyessä sitä voi alkaa myös kertyä lisää. Näiden prosessien
lopputuotteena määräytyy kasvualustan hiilivarasto, jonka määrää ja pysyvyyttä pyrimme
arvioimaan.
Aineisto ja menetelmät
Maanäytteitä on kerätty kahdessa kohteessa Viikissä, kolmelta koostumukseltaan erilaiselta
katupuiden kasvualustalta 3, 6, ja 9 vuotta rakentamisen ja puiden istutuksen jälkeen.
Maanäytteet on kerätty joko kahdelta (0-30 ja 30-60 cm) tai kolmelta (lisäksi 60-90 cm)
syvyydeltä. Näytteistä on analysoitu orgaanisen aineksen pitoisuus (hehkutushäviö) ja tämän
perusteella orgaanisen aineksen hävikki. Osanäytteitä on myös inkuboitu neljässä eri
lämpötilassa suljetussa astiassa 24 t ja mitattu astiaan syntyneen hiilidioksidipitoisuuden
mittauksella maanäytteiden hiilidioksidin tuoton lämpövaste [2]. Lisäksi on kerätty
maanäytteitä Helsingin kantakaupungista yhdestä 1930-, 1950-, 1970- ja 1990-luvulla
rakennetusta katupuukohteesta kustakin, samoilta syvyyksiltä kuin edellä, ja näistä näytteistä
on myös määritetty hehkutushäviö.
Tulokset ja tarkastelu
Viikin kohteissa mittauksissa kolmesta erilaisesta katupuiden kasvualustasta otetuissa
näytteissä hehkutushäviö aleni näytteenottokerrasta toiseen, selvimmin kahden ensimmäisen
näytteenottokerran välillä (Kuva 1). Hehkutushäviö ja vesipitoisuus eivät osoittautuneet
hyviksi Q10-arvojen ennustajiksi, mutta inkubaatiossa tuotettua keskimääräistä
hiilidioksidimäärää ne ennustivat paremmin (Kuva 2). Sekä Q10-arvojen että hehkutushäviön
muutosta selitti jossain määrin alkuperäinen orgaanisen aineksen pitoisuus, joka oli
kasvualustassa kaksi hyvin korkea. Lämpövasteen heikko korrelaatio maanäytteiden
hehkutushäviöön ja vesipitoisuuteen vaatii vielä lisäselvityksiä.
Alustavat tulokset Helsingin kantakaupungin vanhemmista kasvualustoista osoittivat
yllättävän korkeita hehkutushäviöitä. Pintamaan pH-korjaamaton hehkutushäviö oli
keskimäärin alempi (3-6 paino-%) kuin syvimmän tarkastellun kerroksen (5-9 paino-%).
Vähäisestä tutkittujen kohteiden määrästä johtuen havaintoja voidaan pitää vain suuntaaantavina. Boreaaliseen metsä- ja maatalousmaahan verrattuna orgaanisen hiilen syvyysprofiili
43
näytti kuitenkin olevan käänteinen ja kokonaispitoisuus suhteellisen korkea. Tarkoitus on
jatkossa selvittää syitä tähän mm. hiilen pysyvyyttä ja ikää tarkastelemalla.
hehkutushäviö, paino-%
Kasvualustojen alkuvaiheen hiilihävikki kertoo, että mikäli katupuiden kasvualustassa
käytetään paljon orgaanista ainesta, voi se toimia rakentamisen jälkeisinä vuosina hiilen
lähteenä eikä nieluna. Toisaalta vanhemmista kasvualustoista mitatut melko korkeat
hehkutushäviöt herättävät kysymyksen, voiko pitkällä aikavälillä ja puiden kasvaessa kokoa
lisää hiiltä varastoitua katupuiden kasvualustoihin.
20
15
10
5
0
Alusta 1
2002
Alusta 2
2005
2008
Alusta 3
2011
Kuva 1. Hehkutushäviö saman kasvualustan maanäytteistä 2005, 2008 ja 2011 (n=4),
keskiarvo ja keskihajonta. Kasvualustat rakennettiin vuonna 2002, mutta tällöin valitettavasti
hehkutushäviötä ei määritetty. Vuoden 2002 pylväät perustuvat kasvualustojen
koostumustietoihin.
Alusta 1
4
Alusta 2
3
Alusta 3
2
1
0
b.
CO2-tuotto µl/g ka/h
CO2-tuotto µl/g ka/h
a.
Alusta 1
4
Alusta 2
3
Alusta 3
2
1
0
0
20
40
60
näytteen vesipitoisuus,
paino-%
0
10
Hehkutushäviö,
paino-%
20
Kuva 2. Inkubaatiokokeissa mitattu hiilidioksidin tuotto eri kasvualustojen maanäytteissä
(kaikki mittausvuodet) näytteen vesipitoisuuden (a.) ja hehkutushäviön (b.) funktiona.
Kirjallisuus
[1] Poyat, R., Groffman, P., Yesilonis, I., Hernandez, L. 2002. Soil carbon pools and fluxes in
urban ecosystems. Environmental Pollution 116: 107-118.
[2] Kähkönen, M.A., C. Wittman, J. Kurola, H. Ilvesniemi, and M. Salkinoja-Salonen. 2001.
Microbial activity of boreal forest soil in a cold climate. Boreal Environment Research 6:19–
28.
44
Ravinteiden huuhtoutuminen puhdistamolietekomposteista valmistetuista
kasvualustoista
Nutrient leaching from grass lawns made from sewage sludge composts
Tapio Salo1), Petri Kapuinen2) ja Ari Kangas3)
1)
MTT Kasvintuotannon tutkimus, 31600 Jokioinen, [email protected]
MTT Kasvintuotannon tutkimus, 21500 Piikkiö, [email protected]
3)
Aluehallintovirasto, 00521 Helsinki, [email protected]
2)
Ravinteita poistuu maatalouden kierrosta kuluttajien ravinnoksi ja päätyy
jätevedenpuhdistamoiden lietteisiin. Tällä hetkellä puhdistamolietteiden ravinteita palautetaan
maatalouteen jonkin verran, ja kiinnostus sekä lietteen tuottajien että maanviljelijöiden
kohdalla on lisääntymässä. Edelleen merkittävä osa puhdistamolietteiden ravinteista päätyy
kaatopaikkojen peitemateriaaleiksi tai viherrakentamisen kasvualustojen raaka-aineeksi.
Julkisuudessa on keskusteltu sekä puhdistamolietteiden fosforin huuhtoutumisesta
kasvualustoista että fosforin poistumisesta elintarvikekierrosta viherrakentamiseen.
Ravinteiden huuhtoutumista viherrakentamiseen käytetyistä kasvualustoista mitattiin
sadettamalla erilaisia kasvualustoja sadesimulaattorissa. Kasvualustan läpi mennyttä vettä
kerättiin 20–30 mm:n ja pinnassa valuvaa vettä 20 mm:n valuntaa vastaava määrä.
Laboratoriossa rakennettuja kasvualustalieriöitä sadetettiin ensin välittömästi ja sen jälkeen
niiden pinnalle kasvatettiin nurmikkoa 2–3 kuukauden ajan ennen toista sadetuskertaa.
Nurmikko vähensi sekä liukoisen että kokonaistypen huuhtoutumista pintavalunnassa yli 50
% (Kuva 1). Kokonaisfosforin huuhtoutuminen väheni jopa 75 %, mutta liukoisen fosforin
pitoisuus pintavalunnassa ei juuri muuttunut nurmikon vaikutuksesta (Kuva 1). Nurmikon
maanpintaa suojaava vaikutus lienee suurin syy kokonaisfosforin huuhtoutumisen selvään
vähenemiseen. Typen ja kokonaisfosforin huuhtoutuminen pintavalunnassa oli
puhdistamolietepohjaisista kasvualustoista jonkin verran suurempaa kuin turvepohjaisista,
mutta nurmikon perustaminen tasoitti eroja huomattavasti. Pohjavalunnassa nurmikon
perustaminen ja edeltävän sadetuksen vaikutus vähensivät typen huuhtoutumista myös yli 50
%. Sen sijaan liukoisen tai kokonaisfosforin huuhtoutuminen pohjavalunnassa ei muuttunut.
Edellisen sadetuksen huuhtoutuminen ja kasvuston fosforinotto eivät vaikuta fosforin
pitoisuuteen kasvualustassa yhtä voimakkaasti kuin typen pitoisuuteen.
Viherrakentamisen kasvualustat ovat hyvin vettä läpäiseviä, joten pohjavalunta voidaan
olettaa tärkeimmäksi veden kulkeutumisreitiksi. Tällöin voidaan arvioida, että fosforin
merkittävä huuhtoutuminen ei ole todennäköistä. Pohjavalunnan liukoisen fosforin
pitoisuudet olivat noin 0,5 mg/l ja kokonaisfosforin pitoisuudet suurimmillaan 1,5–2,0 mg/l.
Vaikka nämä arvot ovat suurempia kuin maataloudessa mitattujen valumavesien
fosforipitoisuudet,
viherrakentamisen
pienet
pinta-alat
vähentävät
osuutta
kokonaishuuhtoutumisesta. Joka tapauksessa liian korkeita kasvualustan fosforipitoisuuksia
kannattaa välttää, koska korkeiden analysoitujen pitoisuuksien yhteys lisääntyneeseen
fosforin
huuhtoutumiseen
nähtiin
myös
tämä
tutkimuksen
tuloksissa.
Puhdistamolietekomposteja raaka-aineina käytettäessä näyttää helposti muodostuvan
kasvualustoja, joista lähtevien valumavesien liukoisen ja kokonaistypen pitoisuudet voivat
olla hyvin korkeita. Typen huuhtoutumisen vähentämiseksi olisikin nurmikko tai muu
kasvusto saatava ottamaan typpeä mahdollisimman pian perustamisen jälkeen tai ainakin
ennen syksyn ja alkutalven runsaita sateita.
45
300
250
N mg/l
200
Liukoinen N mg/l
150
Kokonais-N mg/l
100
50
0
MPKmusta
MPKvihreä
PerintMusta
PerintVihreä
3
2.5
P mg/l
2
Liukoinen P mg/l
1.5
Kokonais-P mg/l
1
0.5
0
MPKmusta
MPKvihreä
PerintMusta
PerintVihreä
Kuva 1. Liukoisen ja kokonaistypen sekä liukoisen fosforin ja kokonaisfosforin pitoisuudet
pohjavalunnassa kasvualustan perustamisen (musta) ja nurmikon kasvamisen (vihreä) jälkeen.
MPK = kasvualustan raaka-aineena puhdistamolietepohjainen maanparannuskomposti ja
perinteinen = turve kasvualustan raaka-aineena. Pylväiden virhepalkki kuvaa keskihajontaa.
46
ICECREAM-mallin yhdistäminen WSFS-VEMALA-malliin
vesistöihin tulevan fosforikuormituksen mallintamiseksi
pelloilta
Coupling ICECREAM-model with WSFS-VEMALA-model to simulate the phosphorus load
from fields to water systems
Vanamo Seppänen1 ja Markus Huttunen2
1
2
Suomen ympäristökeskus SYKE, [email protected], +358 400 148 829
Suomen ympäristökeskus SYKE, [email protected], +358 400 148 543
Johdanto
Fosforin (P) huuhtoutuminen pelloilta on suurin rehevöitymisen aiheuttaja Suomen joissa,
järvissä ja rannikkoalueilla. Vesistöistä tehtyjen mittausten perusteella on vaikeaa päätellä,
kuinka suuri osa fosforikuormituksesta on peräisin pelloilta. Toisaalta taas yksittäisiltä
peltolohkoilta tuleva kuormitus vaihtelee suuresti maaperän ominaisuuksien sekä
viljelykäytäntöjen mukaan, mikä tekee peltolohkoilta tehtyjen kuormitusmittausten
soveltamisen suurille alueille vaikeaksi. Mallinnuksella on mahdollista osittain paikata
mittaustulosten puutetta sekä arvioida kustannustehokkaasti vesistöihin tulevaa kuormitusta ja
eri päästölähteiden osuutta kuormituksesta.
Aineisto ja menetelmät
Tämän työn tarkoituksena on kehittää peltolohkokohtaisen ICECREAM-mallin [1]
fosforikuormituksen laskentaa niin, että mallia on mahdollista käyttää mahdollisimman
monilla erityyppisillä peltolohkoilla ilman mittavaa kalibrointia. Tätä tarkoitusta varten
malliin on tehty muutoksia. Seuraavat osiot mallista on muutettu tilastolliseen aineistoon
perustuviksi:
• maaperän fosforivaraston laskenta simuloinnin alussa
• P-luvun muutos fosforivarastojen muuttuessa
• pintavalunnan fosforikonsentraation laskenta
Myös mallin hydrologista laskentaa on muutettu. Mallin evapotranspiraation laskenta on
osittain korvattu WSFS-mallin [2] laskemalla kokonaishaihdunnalla. Kasvien transpiraation
osuus haihdunnasta lasketaan kuitenkin edelleen kuten mallin aikaisemmassa versiossa. Myös
lumen vesiarvo ja maanpinnalle tuleva sadanta / sulanta on korvattu WSFS-mallin laskemilla
arvoilla. Roudan vaikutusta valuntaan on tehostettu pienentämällä maaperän roudanaikaista
vedenjohtavuutta. Lisäksi malliin on tehty muita pienempiä muutoksia, jotka vaikuttavat
roudan kestoon, makrohuokosten toimintaan, fosforin liikkumiseen maassa, nurmen ja
syysviljojen kasvuun, nurmipeitteisen maan eroosioon ja transpiraation laskentaan.
Eloperäisille maille on luotu ravinteiden huuhtoutumisen osalta oma, yksinkertainen
laskentarutiini. Se on käytössä, mutta eloperäisillä pelloilla tehtyjen, ravinteiden
huuhtoutumista mittaavien kenttäkokeiden vähyyden johdosta kaipaa vielä kehitystä.
Mallin kehittämiseen ja kalibrointiin on käytetty tilastollisten aineistojen lisäksi neljällä
erilaisella peltolohkolla tehtyjä kenttäkokeita, joista kolme on mineraalimaita ja yksi
eloperäinen maa. Suurin osa käytetyistä kalibroitavista ja mitattavista parametreista on
kuitenkin peräisin mallin aiemmista versioista.
ICECREAMin uusi versio on yhdistetty koko Suomen kattavaan WSFS-VEMALAkuormitusmalliin [3], jossa sen laskenta on automatisoitu kaikille Suomen noin 1 100 000:lle
peltolohkolle. WSFS-VEMALA laskee muista päästölähteistä syntyvää fosforikuormitusta
VEPS-malliin ja VAHTI-rekisteriin perustuen sekä kuormituksen kulkeutumista edelleen
jokiin ja järviin.
47
Tulokset ja tarkastelu
Kuvassa 1 on esitetty WSFS-VEMALA-ICECREAM-mallilla simuloitu fosforipitoisuus
Vantaanjoen Sarsalanojan valuma-alueelta Sarsalanojasta ennen Rantamo-Seittelin
kosteikkoa. Valuma-alueen koko on 19 km2. Siitä 42 % on peltoa, eikä järviä ole. Kuvassa 2
näkyy eri päästölähteiden osuus fosforikuormituksesta mallin simuloimana.
Pellot
(Icecream),
kg/vuosi
Muu maa-alue
(VEPS), kg/vuosi
Asutus (VEPS),
kg/vuosi
Kuva 2. Yhdistetyllä WSFS-VEMALAICECREAM-mallilla
simuloitu
keskimääräinen
fosforikuormituksen
jakautuminen
eri
päästölähteisiin
Sarsalanojan
valuma-alueella.
Kuva 1. Yhdistetyllä WSFS-VEMALAICECREAM-mallilla simuloitu ja havaittu
fosforipitoisuus
(µg/l)
Sarsalanojassa
vuosina 2008-2012.
Mallin simuloima fosforipitoisuus joessa osuu hyvin havaintojen suuruusluokkaan. Malli
onnistuu myös melko hyvin kuvaamaan pitoisuuden vaihtelua joessa, joskaan suurimpien
pitoisuuksien ajankohta ei aina osu yksiin havaintojen kanssa. Havaintojen vähyys vaikeuttaa
tulosten tulkintaa.
Erityisesti järvien ravinnetasapainoon liittyvät prosessit ovat haaste mallin kehityksessä.
Mallin antamat tulokset ovat kuitenkin kohtalaisen hyviä eri puolilla Suomea järvettömien,
maatalousvaltaisten valuma-alueiden joissa.
Kirjallisuus
[1] Jaakkola, E., Tattari, S., Ekholm, P., Pietola, L., Posch, M., Bärlund, I. 2012. Simulated
effects of gypsum amendment on phosphorus losses from agricultural soils. Agricultural and
Food Science 21:292-306.
[2] Vehviläinen B., Huttunen M. & Huttunen I. 2005. Hydrological forecasting and real time
monitoring in Finland: The watershed simulation and forecasting system (WSFS). In
Innovation, Advances and Implementation of Flood Forecasting Technology, conference
papers, Tromsø, Norway, 17 to 19 October 2005. ISBN Book 1-898485-13-5.
[3] Huttunen I., Huttunen M., Tattari S. & Vehviläinen B. 2008. Large scale phosphorus load
modelling in Finland. XXV Nordic Hydrological Conference 2008. NHP Report No. 50, p.
548-556.
48
Hiedan ja biohiilen kasvualustaseos ei osoittanut haitallisia vaikutuksia
kuusentaimille kasvukammiokokeessa
Biochar amended silty soil showed no detrimental effects on Norway spruce seedlings in a
growth chamber bioassay
Juha Heiskanen1, Priit Tammeorg2 and Kasten Dumroese3
1
Finnish Forest Research Institute, Suonenjoki unit, Juntintie 154, FI-77600 Suonenjoki
Dept. of Agricultural Sciences, Latokartanonkaari 5, P.O. Box 27, FI-00014 Univ. Helsinki
3
Rocky Mountain Res. Sta., GSD, 1221 South Main Street, Moscow, ID 83843, USA
2
Introduction
Biochar (BC) is the carbon-rich byproduct from anaerobic pyrolysis of biomass that
commonly originates from agriculture and forestry. Although BC is used as bioenergy,
interest is increasing to use BC as a soil additive to sequester carbon and improve soil quality,
mainly on agricultural soils and especially in tropical environments. Recent results from US
temperate forests suggest that pyrolyzed BC can be returned to forest sites to increase soil
nutrients and carbon with little effect on short-term tree growth [1]. However, practically no
information is available about boreal forests. Our objective was to examine effects of two BC
types added to a pure silt mineral soil in proportions up to 60 vol.% on growth of transplanted
Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) seedlings in a growth chamber.
Materials and methods
The used growing media were based on a commercially produced Finnish wood BC (Preseco
Oy, Espoo, Finland) originating from partially debarked Norway spruce and Scots pine (Pinus
sylvestris L.) chips (=FBC, pre-sieved to <2 mm in particle size) or a commercially produced
Canadian BC powder (Dynamotive Energy Systems Corp., Richmond, BC, Canada)
originating from agricultural or forestry biomass (=CBC), which were mixed into alluvial silt
in volume proportions 0, 15, 30, 45 and 60 %. Chemical and physical properties of the
growing media were determined as described previously [2].
Ten 0.5 L plastic pots (Teku, MQC 9x9x9.5 cm, Pöppelmann, Lohne, Germany) were filled
with each media. Before transplanting one-year-old seedlings, their root volumes were
determined using water displacement method. In total 100 transplanted seedlings were grown
(2 BC types x 5 media x 10 replicates) in a growth chamber (Type 10’ Sp/5 DU-Pi, Weiss
Klimatechnik GmbH, Reiskirchen-Lindenstruth, Germany). Diurnal light cycle was set to no
light 4 h, dim 1 h, full light 18 h, and dim 1 h. Full light yielded photosynthetically active
radiation at the seedling shoot level of 335 µE m-2 s-1. Temperature was 19.5 oC (day) and 12
o
C (night). Relative humidity varied between 30-60 %. Seedling heights were measured
weekly. After 9 weeks, seedlings were harvested and measured for morphological attributes.
The effect of the growing medium on the attributes of seedlings and growing media was
tested using two-way (factors = BC type, n=2 and volume proportion, n=5) and one-way
(factor = mix, n=10) analysis of variance.
Results and discussion
Length of the new terminal shoot differed among the growing media; FBC60 had
significantly longer shoot than CBC30 (Fig. 1). Two-way ANOVA showed a significant main
effect between the two BC types (p=0.028) and interaction effect of BC type and mix
proportion (p=0.028). Mean seedling height varied little (22.3-23.7 cm) in the different
growing media after the experiment and no significant main effect was observed (initial
height [19.6 cm] as a covariate).
49
Root volume (initially 1.54 cm3) showed no difference among the growing media after the
experiment (Fig. 1). Two-way ANOVA revealed, however, a significant difference between
FBC60 and CBC60. Mean root to shoot ratio decreased during growing from 0.37 to 0.240.35 by DM in the different growing media.
The relatively similar growth response among all the studied growing media was probably
because all the media had relatively low nitrogen content with respect to seedling
requirements [3]. Soil nutrient availability may be enhanced, however, through increased
cation retention and decreased phosphate adsorption after BC application [1, 2]. BC added to
agricultural soils may decrease soil nitrogen just after addition, suggesting a need for nitrogen
fertilization in crop production. This may not be the case, however, in acidic forest soils
where evidence suggests that BC can increase nitrification. Fire-produced charcoal usually
has no harmful effect on boreal forest productivity although it can affect growth of tree
seedlings and other vegetation.
In conclusion, our study indicated no negative effect with BC addition into soil on
transplanted Norway spruce seedlings, even at the highest application rate (60 vol.%). The
results suggest that BC can be applied at least up to 60 vol.% into mineral soil without
detrimental effects on outplanted seedlings and subsequent tree plantation success. However,
additional information from actual forest outplantings is still needed on the effects of different
BC types on soil physical and chemical properties and on plantation success over a longer
period of time.
Terminal shoot lenght, mm
60
References
FBC
CBC
50
40
30
20
10
0
6
0
15
30
45
60
Char proportion in silt, vol.%
5
Root volume, cm3
[1] McElligott, K.M., Page-Dumroese, D. and
Coleman, M. 2011. Bioenergy production
systems and biochar application in forests:
potential for renewable energy, soil
enhancement, and carbon sequestration. Fort
Collins, CO, USDA FS, Rocky Mountain Res.
Sta. Research Note RMRS-RN-46: 1-14.
4
3
[3] Wall, A. and Heiskanen, J. 2003. Effect of
air-filled porosity and organic matter
concentration of soil on growth of Picea abies
seedlings after transplanting. Scandinavian
Journal of Forest Research 18: 344–350.
2
1
0
[2] Dumroese, K.R., Heiskanen, J., Tervahauta,
A. and Englund, K. 2011. Pelleted biochar:
chemical and physical properties show
potential use as a substrate in container
nurseries. Biomass and Bioenergy 35: 20182027.
0
15
30
45
60
Char proportion in silt, vol.%
Fig. 1. Average length of the terminal shoots and root volumes in the different growing media
after the experiment (mean ± Sd). Vertical line denotes the initial mean root volume. FBC
refers to the Finnish and CBC to the Canadian biochar used.
50
Saharan eteläpuolisen Afrikan maaperän mikroravinnekartoitus
Surveying the micronutrient status of soils in Sub-Saharan Africa
Riikka Keskinen1, Mercy Nyambura2, Martti Esala1 and Keith Shepherd2
1
2
MTT Agrifood Research Finland, Plant Production Research, Planta, 31600 Jokioinen
World Agroforestry Centre (ICRAF), United Nations Avenue, Nairobi, 00100, Kenya
Micronutrient deficiencies are considered widespread in Africa, although data on nutrient
contents of soils and crops especially in low-input smallholder farming systems is limited.
Currently, the capacity for diagnosing soil nutrient status in Sub-Saharan Africa is inadequate.
Improved diagnostics and management strategies are needed to increase food production,
improve human nutrition and health and thus alleviate poverty. The Ministry of Foreign
Affairs of Finland is funding a research and development programme FoodAfrica [1], as a
part of which MTT and ICRAF are working together on strengthening the African soil
research.
To enable implementation of soil surveillance frameworks in developing countries, the
analytical techniques used need to be low in cost and rapid in performance. In the ICRAF
laboratories, spectral measurements fulfilling these criteria are applied to predict various soil
properties and functions [2]. The infrared spectra of a soil sample reflects its mineral and
organic fractions, whereas total x-ray diffraction spectroscopy provides information on soil
mineralogy and total x-ray fluorescence spectroscopy reveals the total element concentrations.
Before introducing these screening tools as standard operating procedures for soil
characterization, they need to be calibrated against conventional chemical extraction methods.
The calibration is conducted in the FoodAfrica project utilizing soil samples collected under
Africa Soil Information Service (AfSIS) from around 60 sentinel sites randomly located
within major agroclimatic zones in sub-Saharan Africa [3]. A subset of approximately 1900
samples will be analysed both at ICRAF using the spectral techniques and at MTT
laboratories using wet chemistry methods.
At MTT, the soil samples are subjected to extraction with acid ammonium acetate –
ethylenediaminetetraacetic acid (AAAc-EDTA) [4] to determine the concentrations of easily
soluble Cu, Fe, Mn, Zn, Al, Cd, Cr, Mo, Ni, Pb, V and Se. Soluble B is acquired with hot
water extraction [5]. The same methods were used in the global micronutrient study for FAO
by Sillanpää [6], which enables worldwide comparison of the soil micronutrient status.
Analyses of around 400 soil, foliar and grain samples from specific agronomic diagnostic
trials of AfSIS enable linking the plant nutrient uptake with the soil analyses. To assess
whether the potential soil micronutrient deficiencies result from a lack of the element in the
soil or from its low solubility, an aqua regia extraction (ISO11466:1995) providing
(semi)total concentrations of the nutrients is performed on the trial site soils in addition to the
AAAc-EDTA and hot water extractions. The first results of the soil analyses are available in
the end of 2012 and the rest will be completed during 2013 providing new data on the
prevalence and spatial distribution of micronutrient syndromes in Sub-Saharan Africa. The
objectives, methodology of the project as well as first wet chemistry results will be presented.
References
[1] FoodAfrica Improving Food Security in Western and Eastern Africa
https://portal.mtt.fi/portal/page/portal/mtt_en/projects/foodafrica
[2] Shepherd, K.D. and Walsh, M.G. 2007. Infrared spectroscopy—enabling an evidencebased diagnostic surveillance approach to agricultural and environmental management in
developing countries. Journal of Near Infrared Spectroscopy 15: 1-19.
51
[3] Vågen, T-G., Shepherd, K.D., Walsh, M.G., Winowiecki, L., Tamene Desta, L.and
Tondoh, J.E. 2010. AfSIS Technical Specifications Soil Health Surveillance. Africa Soil
Information Service 69 p.
[4] Lakanen, E. and Erviö, R. 1971. A comparison of eight extractants for the determination
of plant available micronutrients in soils. Acta Agraria Fennica 123:223-232.
[5] Berger, K.C. and Truog, E. 1944. Boron tests and determination for soils and plants. Soil
Science 57: 25-36.
[6] Sillanpää, M. 1982. Micronutrients and the nutrient status of soils: a global study. FAO
Soils Bulletin 48 444 p.
52
Liukoisen
orgaanisen
raskasmetallipitoisuudet
turvekerroksissa
aineen
kemiallinen
metsätalouskäytössä
luonnehdinta
ja
olevien
soiden
Chemical characteristics of dissolved organic matter in relation to heavy metal
concentrations in peat layers of forested mires
Oili Kiikkilä1, Tiina M. Nieminen1, Mike Starr2, Liisa Ukonmaanaho1
1
2
Metsäntutkimuslaitos, PL 18, 01301, Vantaa
Metsätieteiden laitos, Helsingin Yliopisto, PL 27, 00014, Helsingin Yliopisto
Pintavesien kiinteä ja liukoinen orgaaninen hiili on paljolti peräisin soilta.
Metsänhoitotoimenpiteet, kuten ojitus, hakkuut ja maanmuokkaus lisäävät orgaanisen aineen
huuhtoutumista. Raskasmetallit sitoutuvat eli muodostavat komplekseja orgaanisen aineksen
kanssa. Metallien kompleksoituminen riippuu liukoisen orgaanisen aineen kemiallisesta
koostumuksesta. Liukoisen orgaanisen aineen mukana ne voivat kulkeutua pintavesiin, missä
ne voivat olla myrkyllisiä eliöille ja päätyä ravintoketjuun.
Pohjois-Suomessa on kallioperässä mustaliuske-esiintymiä, joissa raskasmetallien pitoisuus
on suuri. Nämä mustaliuskealueet ovat usein turpeen peittämiä. Tällaisilla alueilla voi olla
riskinä, että raskasmetalleja vapautuu ja huuhtoutuu kallioperästä. Koealamme ovat
metsätalouskäytössä olevia turvemaita, joista puolet on Kainuun
liuskejakson
mustaliuskealueella ja puolet graniittisella kallioperällä.
Tarkoituksena oli tutkia miten avohakkuun sekä avohakkuun jälkeinen hakkuutähteen ja
kantojen korjuu vaikuttaa (vedenpinnan tason muutoksen myötä) liukoisen orgaanisen aineen
kemialliseen koostumukseen ja siihen sitoutuneisiin raskasmetalleihin.
Menetelmät
Turvenäytteet otettiin ojitetuilta turvemailta kaksi vuotta käsittelyjen jälkeen. Käsittelyinä
olivat 1) perinteisenä runkopuukorjuuna toteutettu päätehakkuu sekä 2) kokopuukorjuuna
tehty päätehakkuu, jolloin runkopuun lisäksi myös hakkuutähteet ja kannot korjattiin talteen.
3) Kontrollialat jätettiin kokonaan käsittelemättä. Turvenäytteet otettiin kahdesta syvyydestä.
Alempi kerros (30-50 cm) oli ollut hakkuiden jälkeen koko ajan vedenpinnan alapuolella.
Vedenpinnan taso vaihteli ylemmässä kerroksessa (0-30 cm).
Maavesi uutettiin turvenäytteestä ja suodatettiin (< 0,45 μm). Liukoisen orgaanisen hiilen ja
typen kemialliseen luonnehdintaan käytettiin hartseihin (XAD-8) perustuvaa fraktiointia sekä
molekyylikokoon perustuvaa ultrasuodatustekniikkaa.
Kaikista fraktioista ja
molekyylikokoluokkanäytteistä mitattiin C ja N ja jälkimmäisistä lisäksi Al, Cu, Fe, Ni and
Zn-pitoisuudet.
Tulokset
Liukoisen orgaanisen hiilen ja typen kemiallinen fraktiointi erotti selvästi turvekerrokset
toisistaan. Hydrofobiset hapot ja suurimolekyyliset (> 100 kDa) yhdisteet olivat runsaampia
ylemmässä kerroksessa, kun taas hydrofiiliset ja pienimolekyyliset (< 1 kDa) yhdisteet olivat
runsaampia alemmassa kerroksessa.
Al, Fe ja Zn- pitoisuudet korreloivat positiivisesti hydrofobisten happojen ja
suurimolekyylisten yhdisteiden osuuden kanssa. Pienimolekyylisessä fraktiossa metallien
pitoisuudet olivat enimmäkseen alle määritysrajan.
53
Käsittelyillä ei ollut selvää vaikutusta liukoisen orgaanisen aineen laatuun eikä siihen
sitoutuneisiin metalleihin.
Johtopäätökset
Vain pieni osa metalleista on vapaina ioneina tai pienimolekyylisissä yhdisteissä turpeen
vedessä. Metallit näyttivät olevan enimmäkseen sitoutuneena liukoiseen orgaaniseen
ainekseen, erityisesti hydrofobisiin happoihin ja suurimolekyylisiin yhdisteisiin. Tämä tekee
ne vaikeammin eliöille saataviksi ja siten vähemmän myrkyllisiksi.
54
Puutuhkalannoitus lisää koivikon biomassatuotosta suonpohjalla
Effect of wood ash fertilization on biomass production of birch on cutaway peatland
Jyrki Hytönen1 ja Lasse Aro2
1
2
Metsäntutkimuslaitos, Silmäjärventie 2, 69100 Kannus
Metsäntutkimuslaitos, Kaironiementie 15, 39700 Parkano
Johdanto
Biomassan käyttöä energiantuotannossa pyritään lisäämään voimakkaasti Suomessa. Nykyään
energiaksi korjataan avohakkuualoilta latvusmassaa ja kantoja sekä pienpuuta nuoren metsän
kunnostuksissa ja ensiharvennuksissa. Energiaksi käytettävää puuta voidaan tuottaa myös
metsänkasvatuksen päätuotteena, jolloin tavoitteena on biomassatuotoksen maksimointi
melko lyhyellä kiertoajalla. Parhaiten energiakasvatukseen soveltuvat helposti uudistuvat ja
nuorena nopeakasvuiset lehtipuut. Tuotoksen ja kannattavuuden maksimoimiseksi
kasvatustiheys on suuri ja kiertoaika verraten lyhyt. Korjuun jälkeen energiapuut uudistuisivat
vesomalla ilman muita lisätoimia.
Turvetuotannosta vapautuu suonpohjia lähes 3000 ha vuodessa. Suonpohjia luonnehtii
verrattain ohut turvekerros, jossa on alhainen pH, mutta korkea typpipitoisuus ja alhaiset
fosfori- ja kaliumpitoisuudet. Suonpohjien metsityksessä voidaan siten kohdata
ravinnetaloudellisia ongelmia ja puiden kasvu voi riippua lannoituksesta tai
maanparannuksesta [1]. Energiatuotannon jatkaminen suonpohjilla puumaisilla
energiakasveilla voisi olla vaihtoehto ruokohelven viljelylle. Metsitys sitoisi myös ilmakehän
hiiltä.
Tutkimme puutuhka- ja PK-lannoituksen vaikutusta vesomalla syntyneen koivikon
biomasatuotokseen 21 vuoden ajan [2].
Aineisto ja menetelmät
Kihniön Aitonevalle oli turvetuotannon päättymisen jälkeen syntynyt luontaisesti tiheä
(runkoluku 11 000 kpl ha-1) rauduskoivun (Betula pendula), hieskoivun (Betula pubescens) ja
pajun (Salix spp.) muodostama sekametsikkö. Alue avohakattiin kun puut olivat 16-vuotiaita.
Avohakatuille koealoille perustettiin lannoituskoe kolmena toistona. Käsittelyt olivat
lannoittamaton vertailu, PK-lannoitus (PK-lannoite 575 kg ha-1) ja puutuhka (5000 kg ha-1).
PK-lannoituksessa annettiin fosforia 50 ja kaliumia 96 kg ha-1. Puutuhkassa vastaavat määrät
olivat 108 ja 339 kg ha-1.
Koealoilta otettiin turvenäytteet 10 vuotta lannoituksesta ravinnepitoisuuksien
analysoimiseksi. Myös pohjamaan ravinnepitoisuudet ja maalaji määritettiin. Jäljelle jäänyt
turvekerros oli keskimäärin 38 cm. Lehtien ravinnepitoisuudet analysoitiin vuosittain
kahdeksan kertaa tutkimuksen aikana.
Avohakkuun jälkeen syntyneet vesat mitattiin ympyräkoealoilta kymmenen kertaa 21 vuoden
aikana. Biomassakoepuut kaadettiin, mitattiin sekä oksat ja runko punnittiin maastossa.
Puuston lehdetön maanpäällinen biomassa laskettiin koepuuaineistosta laadituilla
allometrisillä biomassayhtälöillä.
Tulokset
Lannoitus vaikutti merkitsevästi turpeen ravinnemääriin pintakerroksessa (0-5 cm).
Tuhkalannoitus nosti turpeen pintakerroksen pH:ta 4,5:sta 5,5:een. Tuhka sisälsi enemmän
ravinteita kuin PK-lannoite, ja tuhkan vaikutus näkyi myös maan P, K ja B määrien nousuna.
Lannoitus sekä tuhkalla että PK:lla lisäsi lehtien fosforipitoisuutta, mutta lannoituksen
55
vaikutus pieneni tutkimusjakson loppua kohden. Lannoitus ei vaikuttanut lehtien typpi-,
kalium-, magnesium- tai booripitoisuuksiin. Lannoitus ei vaikuttanut merkitsevästi koivun
runkojen tai oksien ravinnepitoisuuksiin (N, P, K, Ca, Mg, B). Ravinnepitoisuudet oksissa
olivat useimmiten yli kaksinkertaiset verrattuna runkojen ravinnepitoisuuksiin.
Rauduskoivut olivat paksumpia ja pidempiä kuin hieskoivut. Lannoitus lisäsi tilastollisesti
merkitsevästi rauduskoivujen pituutta ja läpimittaa. Lannoitetut rauduskoivut olivat 1,2–2,5 m
pidempiä ja 1,3–2,5 cm paksumpia kuin lannoittamattomat puut.
Lannoittamattomilla koealoilla puuston lehdetön maanpäällinen biomassatuotos oli 62,1 t ha1
. Lannoitus PK-lannoitteella ja tuhkalla lisäsi merkitsevästi biomassatuotosta (23 t ha-1 ja 33 t
ha-1). Vesomisen jälkeen 21-vuotiaiden lannoitettujen koealojen MAI oli 4,1–4,6 t ha-1 a-1 ja
lannoittamattomien koealojen 3,0 t ha-1 a-1.
Kuva 1. Vesotettujen metsiköiden maanpäällinen lehdetön biomassa (A) ja keskimääräinen
vuotuinen biomassatuotos (B).
Johtopäätökset
Tämän tutkimuksen mukaan koivu voisi olla kiinnostava vaihtoehto pajuille ja ruokohelvelle
biomassatuotannossa suonpohjilla. Vaikka koivun kiertoaika onkin kolme – viisi kertaa
pidempi kuin pajujen, halvemmat perustamiskustannukset, pienempi lannoitustarve ja suuri
kerralla korjattava biomassasato ovat selviä etuja. Tuhka- tai PK-lannoituksella voidaan
merkittävästi lisätä koivikon biomassatuotosta. Biomassatuotanto koivulla sitoisi myös
ilmakehän hiiltä ja hiilen sidontaa voidaan lisätä vielä lannoittamalla. Lisää tuloksia tarvitaan
biomassatuotoksesta erilaisilla suonpohjilla ja siitä, miten tuotos riippuu turpeen paksuudesta
ja ravinnetaloudesta.
Kirjallisuus
[1] Aro, L., Kaunisto, S. & Saarinen, M. 1997. Suopohjien metsitys. Hankeraportti 19861995. Summary: Afforestation of peat cutaway areas. Project report in 1986-1995.
Metsäntutkimuslaitoksen tiedonantoja 634. 51 s.
[2] Hytönen, J. & Aro, L. 2012. Biomass and nutrition of naturally regenerated and coppiced
birch on cutaway peatland during 37 years. Silva Fennica 46(3): 377-394.
56
Puutuhkalannoituksen vaikutukset turpeen ominaisuuksiin sekä metaanija dityppioksidipäästöihin suometsässä
The effect of wood ash fertilization on soil properties and methane and nitrous oxide
emissions in peatland forests
Marja Maljanen1, Maarit Liimatainen1, Jyrki Hytönen2 ja Pertti J Martikainen1
1
2
Itä-Suomen yliopisto, Ympäristötieteen laitos, PL 1627, 70211 Kuopio
Metsäntutkimuslaitos, Silmäjärventie 2, 69100 Kannus
Johdanto
Suomessa tavoitteena on kasvattaa metsähakkeen käyttöä lämmön ja sähkön tuotannossa 13,5
miljoonaan kuutiometriin vuoteen 2020 mennessä. Tämä lisää vuosittain syntyvän puutuhkan
määrää. Puutuhkaa soveltuu erityisen hyvin luontaisesti typpirikkaiden suometsien
lannoitteeksi, sillä tuhka ei sisällä typpeä, mutta se sisältää useilla soilla puiden kasvua
rajoittavia ravinteita kuten fosforia, kaliumia ja booria. Tuhkalannoituksen aiheuttama
ravinteiden parantunut saatavuus ja maan pH:n nousu voivat lisätä mikrobiaktiivisuutta
maassa ja tästä johtuvia kasvihuonekaasupäästöjä. Tuhkan vaikutuksesta metaani- (CH4) ja
dityppioksidi- (N2O) päästöihin ei ole aiemmin Suomessa tehty ympärivuotisia tutkimuksia,
vaan tehdyt mittaukset ovat rajoittuneet kasvukauteen1,2. Erityisesti N2O-päästöt voivat olla
talvella jopa moninkertaisia kasvukauteen verrattuna, joten ympärivuotiset mittaukset ovat
tärkeitä.
Menetelmät
Tutkimme puutuhkalannoituksen vaikutusta turpeen kemiallisiin ominaisuuksiin sekä
ympärivuotisiin N2O- ja CH4-päästöihin kolmessa ojitetussa suometsässä Kannuksen
lähistöllä, Länsi-Suomessa. Kaksi tutkituista alueista oli tuhkalannoitettu rakeistetulla
puuntuhkalla kahdeksan vuotta ennen mittausten aloitusta ja yksi alue lannoitettiin juuri
mittausten alkaessa, jotta nähdään tuhkan välittömät vaikutukset. Kaasumittaukset maastossa
tehtiin kammiomenetelmällä tai gradienttimenetelmällä (lumipeite) ja kaasupitoisuudet
näytteissä analysoitiin kaasukromatografilla. Kenttämittausten lisäksi tuhkan vaikutusta
N2O:n ja hiilidioksidin (CO2) tuottoon sekä turvemaan ominaisuuksiin tutkittiin
laboratoriossa.
Tulokset ja tarkastelu
Sekä maastossa että laboratoriokokeissa rakeistetulla tuhkalla tehty lannoitus lisäsi mm. maan
sähkönjohtokykyä, sulfaatti- ja fosfaattipitoisuuksia, mutta ei merkittävästi nostanut
turvemaiden pH:ta. Tuhkalannoitus kuitenkin lisäsi puuston kasvua merkitsevästi kahdella
vanhimmalla tuhkalannoituskokeella. Tuhkalannoitus myös lisäsi selluloosan hajoamista
kenttäkokeissa ja maarespiraatiota (CO2-tuotto). Tuhkalannoitus ei sen sijaan i vaikuttanut
merkittävästi kentällä mitattuihin N2O ja CH4-päästöihin (Kuva 1) mikä tukee aiempia
kasvukauden aikana tehtyjä tutkimuksia1,2. Yllättävä tulos oli se, että useissa
laboratoriokokeissa tuhkan lisäys turvemaahan jopa alensi N2O ja CO2- tuottoa. Siten
laboratoriossa saadut tulokset eivät ole aina suoraan yleistettävissä kenttäolosuhteisiin.
Johtopäätöksenä voimme todeta, että tuhkalannoitus ei näyttäisi merkittävästi vaikuttavan
suometsän N2O- ja CH4-virtoihin.
57
1,2
CH4-päästö
1,0
Kontrolli
Tuhka
-2
mg CH4 m h
-1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
Metsä 1
Metsä 2
Metsä 3
10000
N2O-päästö
Kontrolli
Tuhka
-2
µg N2O m h
-1
1000
100
10
1
Metsä 1
Metsä 2
Metsä 3
Kuva 1. Keskimääräiset ympärivuotiset CH4- (mg m-2 h-1) ja N2O-päästöt (µg m-2 h-1)
kolmesta tutkitusta suometsästä, toukokuusta 2010 syyskuuhun 2012. Metsä 1 lannoitettu
kokeen alussa, Metsät 2 ja 3 lannoitettu 8 vuotta ennen mittausten alkua (5000 kg rakeistettua
puutuhkaa ha-1). Virhepalkki on keskiarvon keskihajonta, Metsä 1 (n=6) ja Metsät 2 ja 3
(n=4). Huomaa logaritminen asteikko alemmassa kuvassa. Negatiivinen CH4-päästö tarkoittaa
sitä, että maaperän mikrobit kuluttavat enemmän metaania kun mitä tuottavat.
Kirjallisuus
[1] Maljanen, M., Nykänen, H., Moilanen, M. and Martikainen, P.J. 2006. Greenhouse gas
fluxes of coniferous forest floors affected by wood ash fertilization. For. Ecol. Man. 237:143149.
[2] Maljanen, M., Jokinen, H., Saari, A., Strömmer, R. and Martikainen, P.J. 2006. Methane
and nitrous oxide fluxes, and carbon dioxide production in soil of boreal forest fertilized with
wood ash and nitrogen. Soil Use Manage. 22:151-157.
58
Puutuhkan vaikutus turpeen
hiilensidontaan ojitetulla rämeellä
hiilidioksidipäästöihin
ja
puuston
The effect of wood ash fertilization on soil respiration and tree growth on drained peatland
Mikko Moilanen1, Jyrki Hytönen2 ja Mirva Leppälä3
1
Metsäntutkimuslaitos, Silmäjärventie 2, 69100 Kannus
Metsäntutkimuslaitos, Rakentajantie 3 (PL 413), 90014 Oulun yliopisto
3
Metsähallitus, Veteraanikatu 5 (PL 81), 90100 Oulu
2
Johdanto
Kivennäisravinteiden niukkuus rajoittaa usein puiden kasvua turvemaiden ojitusalueilla.
Arviolta miljoona hehtaaria eli viidennes ojitusalueista on sellaisia, joilla puut kärsivät
eriasteisista fosforin (P) ja kaliumin (K) puutoksista. Turvemaiden metsänkasvatusohjeissa
tällaisiin ravinnepuutoskohteisiin suositellaan lannoitusta puutuhkalla. Puun kasvavan
energiakäytön seurauksena tuhkaa syntyy runsaasti ja sen saatavuus on parantumassa. Metlan
pitkäaikaiset tuhkalannoituskokeet1,2 ovat vahvistaneet tuhkan pitkäaikaisen myönteisen
vaikutuksen puuston kasvuun. Odotettavissa on siis, että tuhkan käyttö tulevina vuosina
yleistyy nimenomaan turvemaiden metsänhoidossa.
Tuhka lisää maaperän ravinnevaroja merkittävästi ja vähentää happamuutta usean pH-yksikön
verran. Happamuuden muutokset johtavat turpeen mikrobi- ja hajotustoiminnan muutoksiin,
millä on vaikutusta myös maaperäkaasujen vaihtoon. Tutkimuksia, joissa olisi
samanaikaisesti seurattu tuhkalannoitetun turpeen CO2-päästöjä ja puuston sitoman
hiilimäärän muutoksia, ei aiemmin ole Suomen oloissa tehty.
Menetelmät
Selvitimme puutuhkan aiheuttamia maaperä- ja puustomuutoksia paksuturpeisella rämeellä,
joka oli kuivatuksen seurauksena muuttunut II-tyypin mustikkaturvekankaaksi. Alkuperältään
tuo Muhoksen Pelsonsuon kohde oli ollut vähäpuustoista ruohoista sararämettä, jonka puusto
koetta perustettaessa oli 6 – 8 metrin mittaista männikköä. Saravaltainen turve oli kohtalaisen
pitkälle maatunutta ja runsastyppistä (N-pitoisuus yli 3 %), mutta kivennäisravinteita siinä oli
niukalti. Neulasanalyysit ja puiden ulkoasu osoittivat metsikön kärsivän voimakkaasta P:n ja
K:n puutoksesta.
Tuhkan (puun kuorituhka 0, 5 tai 15 t ha-1) levitys tehtiin alkukesällä 1997. Pienemmän
tuhka-annoksen sisältämät P- ja K-määrät vastasivat likimain turvemaiden lannoitusohjeiden
suosituksia. Puustomittausten avulla selvitettiin käsittelyittäin puuston vuotuinen
tilavuuskasvu tuhkalevityksen jälkeen ja kokonaispuuston kuivamassa, kun tuhkan
levityksestä oli kulunut 13 vuotta. Koealoilta kerätyistä maanäytteistä analysoitiin
happamuus, tilavuuspaino ja ravinnepitoisuudet. Orgaanisen aineksen hajoamista arvioitiin
puiden juuristokerrokseen kesän ajaksi 2009 upotettujen selluloosaliuskojen
massahävikkimittauksilla. Turpeen hiilidioksidipäästöjä (heterotrofinen respiraatio) mitattiin
13 vuotta tuhkanlevityksen jälkeen näytealoilta, joista oli poistettu kasvillisuus ja karike, ja
juuristot oli katkottu. Kasvien hengityksen poistamiseksi (autotrofinen respiraatio) koealat
pidettiin kasvipeitteettöminä.
Tutkimuksessa mitattiin siten turpeen orgaanisen aineen
hajoamisesta johtuvia CO2-päästöjä.
Tulokset
Puutuhkakäsittelyt odotetusti lisäsivät turpeen ravinnemääriä ja vähensivät happamuutta 1,5 –
2 pH-yksikköä. Selluloosan hajoamisnopeus oli tuhka-aloilla noin kaksinkertainen
lannoittamattomaan vertailualaan nähden. Myös turpeen heterotrofinen maahengitys oli
59
tuhka-aloilla lähes kaksinkertaistunut 13 vuoden kuluttua levityksestä. Vuotuinen CO2emissio tuhka-aloilla vaihteli 420–475 g/ m2, kun se vertailualalla jäi 238 g/m2.
Tuhkan vaikutus näkyi puustossa voimakkaana (Kuva 1). Pienempi tuhka-annos 3-kertaisti ja
isompi tuhka-annos annos 7-kertaisti puuston tilavuuskasvun. Tutkimusjakson lopussa
vuotuinen kasvu oli vertailulla 2 m3 ha-1 v-1 ja tuhka-aloilla 11 – 13 m3 ha-1 v-1. Turpeen
hiilipäästöjä ja puuston sitomia hiilimääriä verrattiin keskenään. Tuhkalannoitetuilla aloilla
puustoon sitoutui 43–58 g C/m2 ja vertailualoilla 204 g C/m2 vähemmän kuin mitä oli
hiilipäästö turpeesta.
B
A
Kuva 1. Puuston vuotuinen kasvu (A) ja vuotuinen hiilidioksidipäästö turpeesta ja puustoon
sitoutuneen hiilen määrä (B) käsittelyittäin 14 vuotta tuhkalannoituksesta.
Tarkastelu
.
Tutkimuksemme tulokset osoittavat, että tuhkalannoitus runsastyppisellä turvemaalla puiden
ravinnepuutostilanteissa parantaa puiden ravinnetilaa ja lisää puuston kasvua voimakkaasti ja
pitkäaikaisesti. Tuhka lisää turpeesta ilmakehään vapautuvan hiilen määrää, mutta puuston
voimakkaan kasvuvasteen ansiosta metsikköön sitoutuu hiiltä lähes päästöjen verran.
Tuhkavaikutuksen edelleen jatkuessa voi tuhkalannoitettu metsikkö kääntyä hiililähteestä
hiilinieluksi lähimmän 10 – 15 vuoden aikana. Jatkotutkimuksissa olisi selvitettävä, millä
tavoin puuston merkitys hiilen sitojana tuhkalannoitetuissa turvemaiden metsiköissä vaihtelee
puuston eri kehitysvaiheissa.
Kirjallisuus
[1] Moilanen, M., Silfverberg, K. & Hokkanen, T.J. 2002. Effects of wood-ash on the tree
growth, vegetation and substrate quality of a drained mire: a case study. Forest Ecology &
Management,17: 321–328.
[2] Moilanen, M., Silfverberg, K., Hökkä, H. & Issakainen, J. 2005. Wood ash as a fertilizer
on drained mires - growth and foliar nutrients of Scots pine. Canadian Journal of Forest
Research 35: 2734–2742.
[3] Moilanen, M., Hytönen, J. & Leppälä, M. 2012.Application of wood ash accelerates soil
respiration and tree growth on drained peatland. European Journal of Soil Science 63: 467475.
60
Humuspitoisten vesinäytteiden esisuodatuksen
käyttökelpoisten ravinteiden määrään
vaikutus
kasveille
The effect of water sample prefiltration on plant availability of iron and phosphorus
Tiina M. Nieminen1, Liisa Ukonmaanaho1 ja Marita Turunen1
1
Metsäntutkimuslaitos, PL 18, 01301 Vantaa
Johdanto
Pinta- ja maavesinäytteiden suodatus on esikäsittelytoimenpide, jonka tarkoituksena on
poistaa kiintoaine näytteestä ennen liukoisten ravinnepitoisuuksien mittaamista. Kasveille
käyttökelpoisessa muodossa olevia ravinteita on kuitenkin kiinteässäkin faasissa kiintoaineen
pintojen vaihtopaikoille pidättyneenä. Suodatettuja näytteitä mitattaessa nämä kasvien
saatavilla olevat muodot jäävät huomioimatta. Lisäksi suodatuksen aikana näytteessä tapahtuu
erilaisia saostumis- ja sorptioprosesseja, jotka voivat johtaa liukoistenkin aineiden
poistumiseen liuosfaasista. Tämän työn tarkoituksena oli arvioida vesinäytteen suodatuksen
vaikutusta siinä olevien kasveille käyttökelpoisten ravinteiden määriin.
Aineisto ja menetelmät
Käyttökelpoisten ravinteiden määrää mitattiin elävän kerrossammalen (Hylocomium
splendens) avulla. Kerrossammalen versojen tyvet upotettiin suodattamattomiin ja
suodatettuihin näytevesiin 36 tunnin ajaksi. Sen jälkeen vedenpinnan yläpuolella olleet
versojen yläosat eroteltiin vedessä olleista tyvistä, kuivattiin, punnittiin ja jauhettiin.
Vertailumateriaalina käytettiin kerrossammalen versoja, joita ei upotettu veteen, mutta niiden
yläosat eroteltiin
ja anlysoitiin samoin kuin vesinäytteisiin upotetuista versoista.
Alkuainepitoisuudet analysoitiin märkäpolton jälkeen ICP-AES –laitteella.
Rinnakkaiset näytteet kaikista tutkituista vesistä analysoitiin myös DGT (Diffusive Gradients
in Thin Films) - menetelmällä (Davison ja Zhang 1994). Käyttämämme DGT-laitteet
koostuivat ns. diffuusiogeelikerroksesta, jota peittää 0,45µm huokoskokoa oleva membraani,
sekä diffuusiogeelin alla olevasta hartsista, joka koostumuksestaan riippuen pidättää spesifisti
tiettyjä ioneja (ja pienimolekyylisiä komplekseja). Menetelmä simuloi jossain määrin elävän
organismin ravinteiden ottoa, sillä kun ravinteet pidättyvät veteen upotettuun DGT-laitteen
hartsikerrokseen,
syntyy
diffuusiogeelikerrokseen
samanlainen
vähenevän
ravinnekonsentraation gradientti kuin esim. juuren pinnan läheisyyteen ravinteiden oton
seurauksena. Ravinteiden poistuminen liuosfaasista (DGT-hartsiin tai elävään organismiin)
muuttaa kiinteässä ja liuenneessa faasissa olevien ravinteiden välistä tasapainoa, esim.
helposti vaihtuvia ioneja kiinteiden partikkelien pinnoilta siirtyy liuosfaasiin.
Vesinäytteet otettiin kahden turvemaavaltaisen metsäojitetun valuma-alueen kokoojaojista.
Toinen valuma-alueista sijaitsee Kainuun liuskekivisarjaan kuuluvalla mustaliuskealueella ja
toinen läheisellä kvartsiittipitoisella kallioperällä. Syyskuussa 2011 kummaltakin alueelta
otettiin 10 litran näyte ojavettä. Laboratoriossa puolet (5 L) kummankin valuma-alueen
näytteistä suodatettiin (C3/C Whatman), joten käsittelyjä on yhteensä neljä:
1) mustaliuske (ML), suodattamaton 2) mustaliuske (ML), suodatettu 3) kvartsiitti (KV),
suodattamaton 4) kvartsiitti (KV), suodatettu. Kunkin käsittelyn vesinäyte jaettiin kuuteen
osaan, joista kolme toistoa käytettiin kerrossammalten ”kasvualustana” ja kolme toistoa DGTmittaukseen. Lisäksi sammalpitoisuuksien vertailupitoisuuksina käytetään ei-käsitellyn
kerrrossammalen versojen yläosan pitoisuuksia.
Tulokset
Ainoastaan suodattamattomassa mustaliuskealueen ojavedessä olleisiin sammalen versoihin
kertyi rautaa, ja pitoisuusvaihtelu käsittelyn sisällä oli suurta (Kuva 1). Muissa käsittelyissä
61
sammalen rautapitoisuudet olivat vertailupitoisuutta pienemmät. Nikkeli ja alumiini
käyttäytyivät hyvin samankaltaisesti kuin rauta, mutta esim. fosforia kertyi sammaliin vain
suodatetusta mustaliuskevedestä, muiden käsittelyjen fosforipitoisuuksien pysyessä
vertailupitoisuuksien tasolla.
Fe - kerrossammalet
Ei suodatusta
Suodatettu
Vertailu
Kuva 1. Kerrossammalten versojen yläosien rautapitoisuudet (mg kg-1) tyvien oltua 36 tuntia
upotettuina näyteveteen.
DGT-saatavaa rauta oli niinikään enemmän suodattamattomassa mustaliuskevedessä kuin
suodatetussa (Kuva 2). Mutta sammaltuloksista poiketen, DGT-saatavan raudan määrä oli
selvästi suurempi kvartsiittialan vesissä mustaliuskevesiin verrattuna.
Ei suodatusta
Fe-DGT
Suodatettu
Kuva 2. DGT- kertyvä rautapitoisuust (mg L-1) mittalaitteiden oltua 24 tuntia upotettuina
näyteveteen.
Kirjallisuus
[1] Davison, W. and Zhang, H. 1994. In situ speciation measurements of trace components in
natural waters using thin-film gels. Nature 367: 546-548.
62
Testimenetelmät uusien orgaanisten lannoitevalmisteiden
lannoitusvaikutuksen määrittämiseen
Test methods for nitrogen and phosphorus effect of organic fertiliser products
Tapio Salo1, Petri Kapuinen2 ja Tiina Tontti3
1
MTT Kasvintuotannon tutkimus, Planta, 31600 Jokioinen, [email protected]
MTT Kasvintuotannon tutkimus, Toivonlinnantie 518, 21500 Piikkiö, [email protected]
3
MTT Kasvintuotannon tutkimus, Lönnrotinkatu 3, 50100 Mikkeli, [email protected]
2
Orgaaniset lannoitteet, orgaaniset maanparannusaineet ja kasvien kasvua edistävät aineet ovat
maatalouden satokasvien potentiaalisia ravinnelähteitä ja kasvun tehostajia. Kiinnostus näitä
orgaanisia lannoitevalmisteita kohtaan on lisääntynyt viimeaikaisten lannoitehintojen ja sadon
myyntituoton voimakkaiden vaihteluiden vuoksi. Lannoitevalmistelaki (539/2006) edellyttää,
että uuden orgaanisen lannoitevalmisteen tuottajan tulee myös määrittää tuotteen suositellut
käyttömäärät kasvinravitsemuksen osalta. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on arvioida kahta
laboratoriomenetelmää orgaanisen typen ja fosforin käyttökelpoisuuden määrittämisessä.
Orgaaniset lannoitevalmisteet kerättiin useista meneillään olevista hankkeista. Typen
mineralisaatio määritettiin inkubaatiotestillä aiemmissa tutkimuksissa käytetyn kasviaineksen
mineralisaation määritysmenetelmän mukaisesti [1]. Inkubaatiotestissä testattavaa
lannoitevalmistetta muhitettiin hietamaan kanssa (1-3 g lannoitevalmistetta, 50 g maata)
lämpötilassa 15 °C. Maanäytteet otettiin 0, 4, 11, 22, 42, 81, 168 ja 217 päivää muhituksen
aloittamisen jälkeen. Maanäytteet uutettiin (2 M KCl) ja niistä analysoitiin ammonium- ja
nitraatti-N (Lachat-autoanalysaattori). Lannoitevalmistetta sisältävien maanäytteiden
epäorgaanisen typen pitoisuuksia verrattiin ilman lannoiteaineita muhitetun maan
pitoisuuksiin. Fosforin käyttökelpoisuuden määritys perustui modifioituun Hedleyn
fraktiointiin [2]. Fraktioinnissa lannoitevalmisteille tehtiin peräkkäiset uutot veden,
NaHCO3:n (natriumbikarbonaatti eli ruokasooda, 0,5 M), NaOH:n (lipeä, 0,1 M) ja HCl:n
(suolahappo, 1 M) kanssa uuttosuhteella 1:60.
Typen mineralisaation testit osoittavat aiheuttaako orgaaninen lannoitevalmiste typen
mineralisaatiota vai immobilisaatiota (Kuva 1). Muhituksen alussa typpilannoitusvaikutus
riippuu lannoitevalmisteen sisältämästä epäorgaanisen typen määrästä. Tilanne on sama sekä
laboratoriossa että pelto-olosuhteissa. Mädätetty sianliete ja mädätetty puhdistamoliete
sisälsivät muhituksen alussa suuren määrän epäorgaanista typpeä. Muhituksen edetessä
mädätetyn sianlietteen hajoaminen alensi maan epäorgaanisen typen pitoisuuksia (Kuva 1).
Muhitetuista orgaanisista lannoitevalmisteista voimakkaimman typen mineralisaation aiheutti
meijerin jätevesilietteeseen pohjautuva kuivarae. Sekä kompostoidun että mädätetyn
puhdistamolietteen vaikutuksesta epäorgaanisen typen pitoisuus pysyi tasaisena koko
muhitusjakson ajan.
Muhitustestien ongelmia ovat niiden kalleus, koska ne vaativat paljon työaikaa. Muhitus ISOstandardiin 14238 perustuen 4 viikon kestoisena voi jo kuvata lannoitevalmisteiden typen
mineralisaatiopotentiaalin luotettavasti. Myös näissä kokeissa epäorgaanisen typen tasot
vakiintuivat 22 vrk:n näytteenottoon mennessä. Lannoitevalmisteiden sujuvan testauksen ja
käyttöohjeiden laadinnan kannalta nopea ja luotettava muhitustapa on eduksi.
63
N mg/kg maata
600
500
400
300
200
100
0
0
100
päivät
50
Mädätetty puhdistamoliete
Mädätetty sianliete
150
Meijerilietteen kuivarae
200
Kompostoitu puhdistamoliete
Kuva 1. Maan epäorgaanisen typen pitoisuudet neljän orgaanisen lannoitevalmisteen
muhituksessa.
Veteen ja natriumbikarbonaattiin (NaHCO3) liukeneva fosfori vallitsivat eläinlantanäytteiden
Hedleyn fraktioinnissa (Kuva 2). Toor ym. [3] totesivat että on taloudellista ja suhteellisen
helppoa analysoida suuri määrä jätenäytteitä Hedleyn fraktioinnilla verrattuna kalliimpiin ja
aikaa vieviin tekniikoihin (esim. NMR, nuclear magnetic resonance). Veteen ja
natriumbikarbonaattiin uuttuvaa osaa fosforista pidetään kasville käyttökelpoisena.
100
90
80
70
60
% 50
40
30
20
10
0
Vesi
NaHCO3
NaOH
HCl
Min Outlier
Max Outlier
Akselin otsikko
Kuva 2. Box-plot-jakaumat kokonaisfosforin Hedleyn fraktioista (% kokonaisfosforista)
biokaasuprosessissa mädätetyissä naudan ja sian lietelantanäytteissä (n=12).
Typen mineralisaation muhitustestit ja Hedleyn fraktiointi antavat lupaavia arvioita
orgaanisten lannoitevalmisteiden sisältämän orgaanisen typen ja kokonaisfosforin
käyttökelpoisuudesta.
Kirjallisuus
[1]Jensen, L.S., Salo, T., Palmason, F., Breland, T.A., Henriksen, T.M., Stenberg, B.,
Pedersen, A., Lundström C. & Esala, M. 2005. Influence of biochemical quality on C and N
mineralisation from a broad variety of plant materials in soil. Plant and Soil 273: 307–326.
[2] Sharpley, A.N. & Moyer, B. 2000. Phosphorus forms in manure and compost and their
release during simulated rainfall. Journal of Environmental Quality 29: 1462–1469.
[3]Toor, G.S., Hunger, S., Peak, J.D., Sims, J.T. & Sparks, D.L. 2006. Advances in the
characterization of phosphorus in organic wastes: environmental and agronomic applications.
Advances in Agronomy 89: 1–72.
64
Hakkuutähteen korjuun pitkäaikainen vaikutus metsämaan orgaanisen
aineen laatuun
Long-term effects of logging residue harvest on forest soil organic matter quality
Aino Smolander, Bartosz Adamczyk, Veikko Kitunen, Mikko Kukkola ja Pekka Tamminen
Metsäntutkimuslaitos, PL 18, 01301 Vantaa
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, miten hakkuutähteen korjuu vaikuttaa
metsämaan hiilen ja typen kierron prosesseihin ja orgaanisen aineen koostumukseen
harvennusmetsiköissä. Työssä tutkittiin kahta kasvin sekundääriyhdisteisiin kuuluvaa ryhmää,
terpeenejä ja tanniineja, koska niitä on erityisen runsaasti hakkuutähteessä. Lisäksi näiden
yhdisteryhmien on todettu voivan säädellä metsämaan typen kierron prosesseja [1].
Tutkimuskohteet olivat neljä kahteen kertaan harvennettua 47-70-vuotiasta kuusikkoa Eteläja Keski-Suomessa. Ensimmäinen harvennus oli tehty 22-29 vuotta ja toinen harvennus 12-19
vuotta sitten. Harvennuksessa hakkuutähteet joko jätettiin koealoille tai korjattiin pois.
Hakkuutähteen korjuu ei juuri vaikuttanut humuskerroksen hiili-typpisuhteeseen tai
happamuuteen, mutta alensi seskvi- ja diterpeenien pitoisuuksia. Laboratoriossa tehtyjen
inkubaatiokokeiden perusteella näytti siltä, että hakkuutähteen korjuu hidasti hiilen
mineralisaatiota ja typen nettomineralisaatiota. Sitä vastoin vaikutus mikrobibiomassaan
sitoutuneeseen hiileen ja typpeen oli olematon. Hakkuutähteen korjuu oli alentanut kahta
käyttökelpoisen typen muodostumista kuvaavaa suhdetta: typen nettomineralisaatio / hiilen
mineralisaatio ja typen nettomineralisaatio / mikrobibiomassa-N. Tulokset viittasivat siihen,
että typen saatavuus voi heikentyä hakkuutähteen korjuun seurauksena osalla kasvupaikoista
[2].
Hakkuutähteen määrän vaikutusta humuskerrokseen tutkittiin 4 vuoden kuluttua männikön
ensiharvennuksesta Kannonkoskella. Tuoretta hakkuutähdettä oli levitty eri määriä (0-6
kg/m2) yksittäisten mäntyjen ympärille. Tuloksissa oli paljon vaihtelua, mutta keskimäärin
hiilen mineralisaatio, typen nettomineralisaatio, ammoniumtypen pitoisuus, eräät
entsyymiaktiivisuudet ja tanniinipitoisuus suurenivat hakkuutähdemäärän funktiona.
Tulosten mukaan hakkuutähteen korjuu saattaa muuttaa metsämaan orgaanisen aineen
ominaisuuksia ja prosesseja pitkäaikaisesti joillakin kasvupaikoilla. Hakkuutähteen korjuun
aiheuttaman ravinnemenetyksen lisäksi metsämaan orgaanisessa aineessa tapahtuvat
pitkäaikaiset muutokset voivat heikentää puiden typen saatavuutta. Tuloksia ei voi kuitenkaan
tässä vaiheessa yleistää aineiston pienuuden vuoksi.
Kirjallisuus
[1] Smolander, A., Kanerva, S., Adamczyk, B. and Kitunen V. 2012. Nitrogen
transformations in boreal forest soils - Does composition of plant secondary compounds give
any explanations? Marschner review. Plant and Soil 350: 1-26.
[2] Smolander, A., Kitunen, V., Tamminen, P. and Kukkola, M. 2010. Removal of logging
residue in Norway spruce thinning stands: Long-term changes in organic layer properties. Soil
Biology & Biochemistry 42: 1122-1228.
65
Symbionttiset juuristosienet ja kuusentaimien kasvu
Symbiotic mycorrhizal fungi and growth of the Norway spruce
Irmeli Vuorinen, Sannakajsa Velmala, Tiina Rajala, Tuula Piri ja Taina Pennanen
Metsäntutkimuslaitos, Vantaan toimipaikka
Happamassa metsämaassa sienien toiminta on ekosysteemin toiminnan kannalta
merkittävässä roolissa. Symbionttiset juuristosienet eli mykorritsat ovat välttämättömiä
puiden ravinteiden- ja vedenotossa ja suojaavat myös puita patogeenisilta mikrobeilta ja
monilta ympäristön stressitekijöiltä kuten kuivuudelta. Kuusi on yleisin istutuspuulajimme, ja
sitä tuotetaan taimitarhoilta yli 110 miljoonaa tainta vuodessa. Kuitenkin jopa 20%
kuusentaimista menehtyy istutuksen jälkeisinä vuosina, mikä merkitsee huomattavaa tappiota
taimituotannon ja istutustyön kustannuksina. Taimitarhalta lähteville istutuskuusille on
tyypillistä taimen pituuteen verrattuna pieni juuristo johtuen voimakkaasta lannoituksesta.
Lannoitus vähentää myös hyödyllisiä symbionttisia juuristosieniä eli mykorritsoja, mikä
heikentää taimien veden ja ravinteiden saantia [1].
Tutkimusryhmämme on perehtynyt kuusentaimien juuristosienien
taimituotannossa ja niiden monimuotoisuuteen vaikuttaviin tekijöihin.
hyödyntämiseen
Juuristosienet kasvun edistäjinä
Tutkimustuloksiemme mukaan hyvin kehittynyt juuristo on kookasta versoa selvästi
tärkeämpi ominaisuus istutuksen jälkeisen kasvun kannalta [2]. Voimakas typpilannoitus
taimitarhalla hidastaa taimien alkukehitystä ennen kuin juuristo saa symbionttisia sieniä
istutuspaikalla. Olemme löytäneet useita kuusentaimien alkukehitystä parantavia
juuristosieniä. Näiden sienien käytännön hyödyntämistä kuusen taimitarhakasvatuksessa
tutkitaan ja alustavasti näyttää siltä, että yksi sienikannoistamme (Meliniomyces sp.) kestää
kaikki kaupallisen tuotannon eri vaiheet ja sopeutuu ainakin jossain määrin
taimitarhaolosuhteisiin [3]. Tuotteistettua juuristosienikasvustoa olisi mahdollista käyttää
taimitarhoilla parantamassa kuusentaimien laatua istutuksen jälkeen.
Juuristosienet juurikäävän torjunnassa
Meliniomyces-sukuun kuuluva juuristosieni kykeni pysäyttämään juurikääpärihmaston kasvun
ja suojaamaan isäntätaimensa juurikääpätartunnalta laboratorio-olosuhteissa [4]. Olemme
eristäneet sienen kuivuus-stressatusta maasta joten pyrimme tutkimaan myös sen
antagonististen ominaisuuksien lisäksi sen kykyä suojella isäntätaimea istutuksen jälkeisiltä
kuivuuskausilta.
Puun perimän vaikutus juuristosieniin
Aiempien tutkimuksiemme mukaan kentällä nopeasti kasvavilla kuusiyksilöillä on suurempi
symbionttisten juuristosienien monimuotoisuus kuin hitaasti kasvavilla [5]. Meneillään
olevassa tutkimuksessa selvitämme kuusen geneettisen perimän merkitystä symbionttisten
ektomykorritsasienten muodostumiselle. Olemme vastikään havainneet että nopeasti tai
hitaasti kasvavien kuusialkuperien hienojuurien rakenne poikkeaa toisistaan jo
taimivaiheessa. Taimien juurenkärkien tiheys on selvästi puun geneettisen perimän
kontrolloima ja myös periytyvä ominaisuus [6]. Koska lähes kaikki juurenkärjet ovat
symbionttisten mykorritsasienien peitossa ja niissä tapahtuu sienen ulkorihmaston ottaman
veden ja ravinteiden siirto kasville, näyttää siltä että puu vaikuttaa juuristosymbioosin
muodostumiseen ja tehokkuuteen hienojuuriston rakenteen säätelyn kautta.
66
Kirjallisuus
[1] Flykt,E., Timonen, S., and Pennanen, T. 2008. Variation of ectomycorrhizal colonization
of spruce seedlings in Finnish forest nurseries. Silva Fennica 42 (4):571-585.
[2]Vaario, L.-M., Tervonen, A., Haukioja, K., Haukioja, M., Pennanen, T., Timonen, S. 2009.
The effect of nursery substrates and fertilization on the growth and ectomycorrhizal status of
containerized and outplanted seedlings of Picea abies. Can. J.For. Res.39:1-12.
[3]Vuorinen, I., Seiskari, P., Müller, M., Hamberg, L. Pennanen, T. käsikirjoitus valmisteilla.
[4] Hyder, R., Pennanen, T., Vainio, E.J., Piri, T., & Hantula, J. Heterobasidion viruses
HetRV3-ec1 and HetRV6-ab6 mediate diverse and host-specific effects on mycelial
interactions. Lähetetty käsikirjoitus
[5] Korkama, T., Pakkanen, A. & Pennanen T. 2006. Ectomycorrhizal community structure
varies among Norway spruce (Picea abies L.) clones. New Phytologist 171:815-824.
[6] Velmala, S. M., Rajala, T., Haapanen, M., Taylor, A.F.S., & Pennanen, T. 2012.
Genetic host-tree effects on the ectomycorrhizal community and root characteristics of
Norway spruce. Mycorrhiza DOI: 10.1007/s00572-012-0446-y
67
Arseenin geokemiaa Kittilän Suurikuusikon kultakaivoksen ympäristössä –
Luontainen vs. antropogeeninen kuormitus
Arsenic geochemistry in the environment of Kittilä Suurikuusikko gold mine – Comparison of
natural and anthropogenic arsenic concentrations
Soile Backnäs1, Kaisa Turunen1 ja Antti Pasanen1
1
Geologian tutkimuskeskus, PL 1237, 70211 Kuopio. [email protected]
Alueilla, joissa on runsaasti malmimineraaleja kallioperässä, esiintyy luonnostaan korkeita
haitta-aineiden pitoisuuksia maaperässä sekä pinta- ja pohjavesissä. Kaivostoiminnan
käynnistyessä alueen antropogeeninen kuormitus lisääntyy ja ympäristön pilaantuneisuuden
arvioinnissa on tärkeää suhteuttaa tämä kuormitus luontaiseen taustapitoisuuteen.
Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää arseenin geokemiaa ja esiintymistä sekä verrata
luontaista ja antropogeenista arseenikuormitusta Kittilän Suurikuusikon kaivoksen
ympäristössä. Kaivosyhtiö Agnico-Eagle Finland Oy on louhinut kultamalmia Suurikuusikon
kaivoksella vuodesta 2008 alkaen. Kallioperän arsenopyriitti-kultamuodostumasta johtuen,
ympäristön arseenipitoisuudet ovat luonnostaan korkeita. Kallioperä on rikkonainen ja
paikoin hyvin rapautunut. Maaperä koostuu pääasiassa moreenista ja turvemaista.
Avolouhoksen ja maanalaisen kaivoksen kuivatusvedet sekä rikastushiekka-altaan suotovedet
ja prosessijätevedet johdetaan pintavalutuskentille. Kittilän kunnan pintavesien laatuun
vaikuttavat Suurikuusikon kaivoksen lisäksi kuormitus alueen muista kultamuodostumista
sekä suljetun Saattoporan kaivoksen rikastushiekka-altaat1.
Suurkuusikon kaivosympäristöstä otettiin yhteensä 35 näytettä humuksesta ja turpeesta,
moreenista sekä kalliosta. Maanäytteiden kuningasvesi-, ammoniumoksalaatti- ja
ammoniumasetaattiuuttojen avulla tutkittiin alkuaineiden pitoisuuksia, saostumiin sitoutuneen
arseenin määrää ja biosaatavuutta2. Vesinäytteitä kerättiin rikastushiekka-altaalta,
pintavalutuskentälle 4 tulevasta ja sieltä purkautuvasta vedestä, pohjavesiputkista (2 kpl) sekä
Seurujoesta yläjuoksulta, pintavalutuskenttien purkupaikan alapuolelta sekä alajuoksulta.
Taustavesinäytteet otettiin kaivosalueen ulkopuolelta pohjavesiputkesta ja lähimmän talon
kaivosta. Vesinäytteistä analysoitiin metallien ja metalloidien kokonais- ja liukoiset
pitoisuudet, anionit, DOC, TOC, pH, redox ja alkaliteetti. Metallien esiintymismuotoja pintaja pohjavesissä mallinnettiin PhreeqC-ohjelmalla.
Maa- ja kallioperän geokemiallisten analyysitulosten perusteella kuningasvesiliukoisen
arseenin pitoisuuden sekä asetaattiliukoisen, helposti mobilisoituvan arseenifraktion osuuden
nousu näyttäisi kuvaavan kaivostoiminnan vaikutusta arseenin pitoisuuksiin ympäristössä.
Tuloksissa havaittiin taustapitoisuuksia korkeampia kuningasvesiliukoisia arseenin
kokonaispitoisuuksia sekä asetaatti- ja oksalaattiliukoisen fraktion osuuksia (n. 10–30 %; 30–
97 %) moreenissa, humuksessa ja turpeessa erityisesti pintavalutuskentän, rikastushiekkaaltaan ja sivukiviläjityksen ympäristössä (kuva 1). Taustapisteiden humuksessa ja moreenissa
kuningasvesiliukoisesta arseenista vain 0–3 % oli asetaattiliukoista ja 17–77 %
oksalaattiliukoista. Kaivosalueen rapakallionäytteiden arseenin kuningasvesiliukoiset
pitoisuudet ja asetaattiliukoisen arseenin osuus (14–20 %) olivat suurempia kuin ehjässä ja
taustapisteen kalliossa (4 %). Tulokset osoittavat, että rapautuneen kallioperän ja moreenin
saostumiin kemiallisesti adsorboitunut arseeni vaikuttaa merkittävästi alueen kuormitukseen.
Vaikka pintavalutuskentälle tulevan veden liukoisen arseenipitoisuus oli korkea (26 µg/l),
pitoisuus laskee pintavalutuskentällä ja oli kentän purkuojassa enää 0,7 µg/l, mikä osoittaa,
että arseenia on pidättynyt pintavalutuskentälle. Arseenipitoisuus Seurujoessa on hieman
suurempi kaivoksen yläjuoksulla kuin pintavalutuskentän purkukohdassa ja alajuoksulla,
68
mikä viittaa siihen, että kaivostoiminta ja erityisesti pintavalutuskentältä Seurujokeen
purkautuva vesi eivät näyttäisi lisäävän Seurujoen arseenipitoisuutta. Tutkimuksen perusteella
arseenin pitoisuudet kaivosalueen pohjavedessä vaihtelevat huomattavasti (0,22–6,50 µg/l) ja
ovat paikoittain taustapitoisuuksia (0,33–0,73 µg/l) korkeampia, mutta alittavat kuitenkin
talousvedelle asetetun laatuvaatimuksen, 10 µg/l. Vain sivukiviläjityksen lähellä arseenin
liukoinen pitoisuus ylittää pohjavedelle asetetun ympäristönlaatunormin (5 µg/l), mutta alittaa
kuitenkin talousveden laatuvaatimuksen. Geokemiallisen mallinnuksen perusteella arseenia
esiintyy kaivosalueen ja joen vesissä pääasiassa viidenarvoisina arsenaatti-yhdisteinä
(HAsO42- ja H2AsO4-). Yhdessä pohjavesiputkessa arseenia esiintyi pääasiassa
kolmenarvoisena arseenihappona (H3AsO3) ja arseniitti-yhdisteenä (H2AsO3-), johtuen
voimakkaasti pelkistävistä olosuhteista. Koska arseenia esiintyy vesinäytteissä alhaisina
pitoisuuksina ja pääasiassa vähemmän toksisina viidenarvoisina yhdisteinä, ei arseenin
esiintymisellä näyttäisi olevan ekologisia tai terveysvaikutuksia alueella.
Kuva 3. Arseenin kuningasvesiliukoiset pitoisuudet Kittilän Suurikuusikon kultakaivoksen
ympäristön kallio- ja maaperässä sekä arseenin liukoiset pitoisuudet vesissä.
Kirjallisuus
[1] Närhi, P., Hänninen, P., Middleton, M. and Sutinen, R. 2012. River water quality in
Kittilä, Finnish Lapland. Nordic Water 2012. XXVII Nordic Hydrological Conference.
Abstracts, Catchment Restoration and Water Protection.
[2]Loukola-Ruskeeniemi K. ja Lahermo P. 2004. Arseeni Suomen luonnossa,
ympäristövaikutukset ja riskit. Geologian tutkimuskeskus, 135–152.
69
Männyn juurakoiden hajotusdynamiikka metsäojitetulla suolla
Decomposition rates of coarse root systems on forestry-drained peatlands
Tiina Badorek1, Soili Kojola2, Raija Laiho2, Kari Minkkinen1, Timo Penttilä2
1
Peatland Ecology Group, Department of Forest Sciences, University of Helsinki, P.O. Box
27, FI-00014 Helsinki, Finland, tel. 358-9-19158152
2
Finnish Forest Research Institute, P.O. Box 18, FI-01301 Vantaa, Finland
Johdanto
Soilla korkea pohjaveden pinta saa aikaan hapettomat olosuhteet turpeen pintakerroksiin.
Tämä vaikeuttaa orgaanisen aineksen hajoamista (esim. Aerts 2006). Hapettomassa
turvekerroksessa olevat liekopuut ja juurakot säilyvät pitkän ajan lähes hajoamatta. Suomessa
soita on ojitettu huomattavasti metsätalouskäyttöön. Ojitus laskee pohjavedenpintaa ja turpeen
hapellisesta pintakerroksesta tulee paksumpi. Metsäojitus parantaa puuston kasvua
merkittävästi (Laiho & Laine 1997) ja puuston biomassasta noin 40 % on maanpinnan alla
(Laiho & Finér 1996). Miten ojitus vaikuttaa turpeessa olevien kantojen ja juurakoiden
hajoamiseen? Hypoteesimme mukaan puiden juurakot muodostavat pitkäaikaisen
hiilivaraston myös ojitetuilla karuilla soilla.
Aineisto ja menetelmät
Tutkimuskohteena oleva Lopen Kalevansuo (60°37' N, 15°21' E, 123 m m.p.y.) on
vähäravinteinen varputurvekangas (Vatkg), joka ojitettiin vuonna 1969. Puusto on
kaksijaksoista männikköä, josta löytyy vanhoja, ennen ojitusta hakattujen puiden kantoja.
Vertailukohteeksi valittiin Sodankylän Tähtelästä (67°20' N, 17°37' E, 179 m m.p.y.)
niukkaravinteinen kuivan kankaan (MCClT) männikkö, jonka arvioitiin ilmastollisesti
edustavan mahdollisimman hitaan hajotuksen olosuhteita. Puuston rakenne ja kasvutiheys
ovat molemmilla koealoilla samankaltaiset ja myös Tähtelän männikön vanhaa puustoa on
hakattu 1940-luvun alussa.
Vanhojen juurakoiden (= kanto ja juuret 1cm:n läpimittaan saakka) alkuperäisen massan
arvioimiseksi Kalevansuolta kaadettiin kuusi ja Tähtelästä kahdeksan erikokoista puuta,
suurikokoisia ylispuita painottaen. Tuoreet juurakot kaivettiin ylös ja määritettyihin
kokonaiskuivamassoihin verrattiin julkaistuja biomassamalleja (Kuva 1). Turvemaapuiden
juurakkomassamalli (Laiho & Finér 1996) sopi hyvin Kalevansuon aineistoon, mutta Repolan
(2009) malli yliarvioi Tähtelän juurakkomassoja. Tähtelän aineistoon sovitettiin tämän vuoksi
uusi yhtälö:
y = 1.7e-06 dk2.8611551,
jossa y = juurakon kuivamassa (kg) ja dk = kannon kuorellinen läpimitta (mm) juurenniskalta.
Kalevansuolta kaivettiin (2008) ylös seitsemän ja Tähtelästä (2011) kahdeksan vanhaa
juurakkoa, joista mitattiin kuorellinen kantoläpimitta juurenniskalta ja joiden kuivamassat
määritettiin ositteittain (’kantomöykyn’ maanpäällinen ja maanalainen osa, läpimitaltaan >5
cm juuret ja 1-5 cm juuret). Kalevansuon juurakoiden kuolinajankohta arvioitiin
vuosilustoanalyysillä ja muutamasta puusta myös hiili-isotooppianalyysillä. Kunkin vanhan
juurakon massahävikki arvioitiin vähentämällä biomassamallilla ennustetusta alkuperäisestä
kuivamassasta ylös kaivetun vanhan juurakon mitattu kuivamassa. Erikseen arvioitiin
vanhojen juurakoiden maanalaisten osien massahävikki olettaen, että maanalaisten osien
alkuperäinen massaosuus koko juurakon massasta oli ollut sama kuin tuoreilla juurakoilla.
Kalevansuolta kaikista juurakoista määritettiin ositteittain myös puuaineksen tiheys.
70
Tulokset ja tarkastelu
Elävien puiden juurakkobiomassa suhteessa puun läpimittaan oli Kalevansuolla huomattavasti
suurempi kuin Tähtelässä (Kuva 1). Turvemaalla puut joutuvat kasvattamaan tukijuurakkonsa
vankemmiksi kuin tiheämmässä kivennäismaassa kasvavat puut (Laiho & Finér 1996).
Kalevansuolla koko juurakoiden keskimääräinen massahävikki oli 52 % ja maanalaisten osien
51 %. Osa hajotuksesta on tapahtunut jo ennen ojitusta ja juurakoiden kuolinhetki vaihteli
laajasti (Kuva 2), mutta ’tehollinenkin’ hajotusaika lienee vähintään sama kuin Tähtelässä.
Vanhimmissakin juurakoissa paksujen (>5 cm) juurten puuaineksen tiheys oli edelleen
huomattavan suuri (Kuva 2). Tähtelän vanhojen juurakoiden massahävikki oli keskimäärin 62
% runsaan 60 vuoden kuluttua hakkuusta. Juurakoiden maanalaisten osien massahävikiksi
arvioitiin 71 %, joten maanalaiset osat olivat hajonneet nopeammin kuin maanpäälliset osat.
Kummassakaan kohteessa suhteellinen massahävikki ei riippunut juurakon alkuperäisestä
koosta.
Puiden kokoon nähden suuremman lähtömassan ja pienemmän hajoamisnopeuden vuoksi
vanhoilla juurakoilla oli Kalevansuolla selvästi suurempi merkitys pitkäaikaisena
hiilivarastona kuin Tähtelän kangasmetsässä, vaikka Sodankylässä ilmasto on huomattavasti
kylmempi kuin Lopella. Juurakoiden maanalaisten osien suurehko massahävikki Tähtelässä
selittynee maaperän hapekkuudella ja ehkä maanpäällisiä oloja tasaisemmilla kosteus- ja
lämpöolosuhteilla.
Kirjallisuus
[1] Aerts, R. 2006. The freezer defrosting: global warming and litter decomposition rates in
cold biomes. Journal of Ecology, 94: 713-724.
[2] Laiho, R. & Finér, L. 1996. Changes in root biomass after water-level drawdown on pine
mires in southern Finland. Scandinavian Journal of Forest Research 11: 251-260.
[3] Laiho, R. & Laine, J. 1997. Tree stand biomass and carbon content in an age sequence of
drained pine mires in southern Finland. Forest Ecology and Management 93: 161-169.
[4] Repola, J. 2009. Biomass equations for Scots pine and Norway spruce in Finland. Silva
Fennica 43(4): 625–647.
Paksujuurten tiheys
Juurakkobiomassat
300
Repola
0.6
Laiho&Finér
250
0.5
Kalevansuo, tuoreet juurakot
BM (kg)
Tiheys g cm-3
Tähtelä, vanhat juurakot
200
Kalevansuo, vanhat juurakot
Tähtelä, tuoreet juurakot
150
100
0.4
0.3
Vanhat juuret
0.2
Tuoreet juuret
0.1
0
1610
50
0
10
20
30
40
50
1710
1810
Kuolinaika
0
60
D1.3 lpm (cm)
Kuva 1. Mitatut juurakkobiomassat.
Kuva 2. Tuoreiden ja vanhojen paksujuurten
tiheys Kalevansuolla.
71
1910
2010
Fluatsinamin käyttäytyminen maassa
Behaviour of fluazinam in soil
Kati P. Hakala, Päivi Tuomainen, Markku Yli-Halla ja Helinä Hartikainen
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, Latokartanonkaari 11, PL 27, 00014 Helsingin
yliopisto, Email: [email protected]
Johdanto
Fluatsinami on perunaruton (Phytopthora infestans) torjunnassa käytettävä fungisidi, jota
ruiskutettin 40 000 hehtaarin alalle Suomessa vuonna 2006 (31 % kaikista perunaruton
torjunta-aineista) [1]. Tutkimuksessa kehitettiin menetelmä fluatsinamin määrittämiseksi
maasta diodirividetektorilla varustetulla nestekromatografilla (HPLC-DAD) sekä selvitettiin
fluatsinamin liukoisuusominaisuuksia maanesteeseen ja maan orgaanisen aineksen vaikutus
fluatsinamin hajoamiseen. Lisäksi analysoitiin maanäytteitä fluatsinamiruiskutuksia saaneilta
perunapelloilta. Julkaistuja tutkimuksia fluatsinamin käyttäytymisestä maassa on vähän.
Fluatsinami on todettu pysymättömäksi tai kohtalaisen pysyväksi maassa [2-5], eikä sen
huuhtoutumista maahorisonttien läpi vesistöihin ole havaittu tapahtuvan [3, 6-7]. Fluatsinami
on myrkyllistä maan mikrobeille [1] ja haitallista mm. kaloille ja leville [8].
Aineisto ja menetelmät
Uutto- ja määritysmenetelmän kehittämisessä, fluatsinamin liukoisuusominaisuuksien
selvittämisessä ja tutkittaessa orgaanisen aineksen vaikutusta fluatsinamin hajoamiseen
käytettiin fluatsinamista puhdasta Viikin (S1, S2, N1, N2) sekä Perhon (P) peltomaata:
 S1, HHk, 0 - 20 cm, org.C 2,4 %
 S2, HHk, 20 - 35 cm, org.C 0,3 %
 N1, HsS, 0 - 28 cm, org.C 4,0 %
 N2, HsS, 28 - 60 cm, org.C 2,1 %
 P: HsS, 0 - 28 cm, org.C 16,1 %.
Fluatsinamin hajoamista maassa ja maan orgaanisen aineksen vaikutusta hajoamiseen
tutkittiin 90 päivää kestäneessä inkubointikokeessa, jossa puhdasta fluatsinamia ja
kauppavalmistetta Shirlan® (sisältää 50 % fluatsinamia) lisättiin käsittelemättömiin
maanäytteisiin (5 kpl) sekä maanäytteisiin, joista orgaaninen aines (OM) oli poistettu (4 kpl).
Lisätyn fluatsinamin määrä oli 2,5 mg 25 g:aan maata. Uutto tehtiin sekä asetonitriilillä että
kalsiumkloridilla (CaCl2). Uutteet puhdistettiin kiinteäfaasiuutolla ja analysoitiin HPLCDAD:lla.
Ylistarosta ja Kurikasta haettiin lokakuussa 2011 perunapeltomaita (8 kpl kolmelta eri
pellolta, muokkauskerroksesta ja jankosta), joihin oli ruiskutettu Shirlania® 1 - 3 edellisenä
kasvukautena. Näytteet uutettiin asetonitriilillä, uute puhdistettiin kiinteäfaasiuutolla ja
analysoitiin HPLC-DAD:lla.
Tulokset
CaCl2-uutteissa ei ollut mitattavia määriä fluatsinamia. Kaikki tässä esitetyt tulokset edustavat
asetonitriiliuuton tuloksia. Hiekkamaissa fluatsinamin konsentraatio laski 29 - 35 % ilman
orgaanisen aineksen poistoa ja n. 16 %, kun orgaaninen aines oli poistettu. Savimaissa
fluatsinamin väheneminen oli vastaavasti 49 - 44 % ja 29 - 43 %. Orgaanisen aineksen
läsnäolo lisäsi hajoamista 4 - 34 %.
72
/k )
ti
i(
OM tallella
OM poistettu
Fl
/k )
i(
ti
Fl
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
S1
S2
N1
N2
P
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
OM tallella
OM poistettu
S1
S2
N1
N2
P
®
Kuva 1. Fluatsinamin (fluatsinamistandardi)
pitoisuus maassa ja keskivirhe.
Kuva 2. Fluatsinamin (Shirlan ) pitoisuus
maassa ja keskivirhe.
Kahdessa muokkauskerroksen perunamaanäytteessä havaittiin fluatsinamia (2,1 mg/kg ja 1,9
mg/kg; n = 3), muista näytteistä fluatsinamia ei havaittu. Kyseisiin näytteisiin oli ruiskutettu
Shirlania® kolme kertaa edellisenä kasvukautena. Homogenisoitujen rinnakkaisten näytteiden
fluatsinamipitoisuuksien välillä oli huomattavaa vaihtelua.
Johtopäätökset
Inkubointikokeessa havaittiin, että orgaaninen aines edisti fluatsinamin hajoamista.
Hajoaminen oli nopeampaa savimaissa kuin hiekkamaissa. Tämä voi johtua savimaan
suuremmasta orgaanisen aineksen määrästä ja mikrobiaktiivisuudesta. Fluatsinamistandardin
ja Shirlanin® hajoamisessa ei ollut suurta eroa.
On todennäköistä, että fluatsinami esiintyi maassa sitoutuneina jääminä (uuttuivat
asetonitriiliin), koska kemikaalia ei havaittu CaCl2-uutteesta (joka jäljittelee maanestettä).
Fluatsinami ei todennäköisesti huuhtoudu maasta liuenneessa muodossa, mutta se voi
kulkeutua vesistöihin maapartikkelien mukana.
Kiitokset
Tutkimusta rahoitti Maj ja Tor Nesslingin Säätiö.
(Perunantutkimuslaitos) avusta perunamaanäytteenotossa.
Kiitokset
Jussi
Tuomistolle
Kirjallisuus
[1] Ruuttunen, P. ja Laitinen, P. (toim.) 2008. Torjunta-aineiden toistuvan käytön
ympäristöriskit perunanviljelyssä. Maa- ja elintarviketalous 119. 190 s.
[2] Dong, F., Yang, S., Liu, X., Sun, J., Zheng, Y., Li, C. ja Yao, J. 2008. Fate of fluazinam in
pepper and soil after application. Agricultural sciences in China 7: 193-199.
[3] Pest Management Regulatory Agency. 2003. Regulatory Note. REG2003-12. Fluazinam.
[4] IUPAC. Pesticide Properties Database. 2012. Fluazinam. IKF 1216.
[5] EFSA. 2008. Conclusion on the peer review of fluazinam. EFSA Scientific Report 137, 82
p.
[6] Baun, A., Ledin, A., Reitzel, L.A., Bjerg, P.L. and Christensen, T.H. 2004. Xenobiotic
organic compounds in leachates from ten Danish MSW landfills - chemical analysis and
toxicity tests. Water Res. 38, 3845.
[7] Laitinen, P., Lejonqvist, M., Rämö, S., Welling, L., Ojanen, H. and Hannukkala, A. 2000.
Use of pesticides in starch and chip potato production. Agricultural Research Centre of
Finland 81, series A, 41 p.
[8] Pest Management Regulatory Agency. 2008. Registration Decision. RD2008-09.
Fluazinam.
73
Estimation of carbon stores in tree stand and soil in the Pääjärvi catchment
in south Finland
Arvio Lammin Pääjärven valuma-alueen puuston ja maaperän hiilen määrästä
Markus Hartman1, Mike Starr2 ja Liisa Ukonmaanaho1
1
Finnish Forest Research Institute, Vantaa Research Unit, P.O. Box 18, FI-01301 Vantaa,
Finland. E-mail: [email protected]; [email protected]
2
University of Helsinki, Department of Forest Sciences, P.O. Box 27, FI-00014 University of
Helsinki, Finland. E-mail: [email protected]
Abstract
We estimated the carbon (C) stores in the tree stand biomass and soils within a south boreal
forested catchment as part of an interdisciplinary study of its C stores, forms and fluxes. We
used sample plot measurements, extensive forest inventory results and, for part of the
catchment, a LiDAR (high definition airborne laser scanning) generated digital terrain model
(DTM) and digital surface model (DSM) that together generate a 3-D model of the tree stand
[1], [2]. The Pääjärvi catchment (Lammi municipality, south Finland; 61° 19’ N, 25° 11’ E)
area is about 18200 hectares, consisting of forest land, peatland, arable land, lakes and
streams as well as some urban areas. The forests are mostly commercially managed and the
principal tree species are Norway spruce, Scots pine and various deciduous tree species,
mainly birch.
We measured all the living trees (D1.3 ≥ 5 cm) on 63 circular sample plots (radius 3.99…11.
28 m; depending on stand development class). The extensive forest inventory data was
obtained from the regional Finnish Forestry Centre and is based on stand volume estimates of
areal units with similar site type and stand structure. The LiDAR data is based on a survey of
a nearby area partly overlapping the Pääjärvi catchment [3]]. The soil carbon stores
(holocene), which depend on land use, site history as well as on tree stand development, will
be estimated from soil samples (humus + 40 cm soil, if available) that were collected from the
same forest inventory plots as well as from 6 agricultural fields during the autumn of 2012
and be compared to various database and literature sources. Lacustrine C stores are not
included in this study. The biomass (dry weight) of the tree stand (including, stem, bark, live
and dead branches, foliage, stumps and roots) on the 63 sample plots was estimated using
allometric equations [4], [5] including stem diameter, tree height and live crown. The stand
biomass C fraction was estimated using a factor of 0.519. The range of the C store in the
forest stand biomass was 2–210 Mg ha-1 (mean 68.9; SD ± 51.4). There was a reasonably
good relationship between our tree stand biomass estimates and the stand volume estimates of
the Forestry Centre (r2 = 0.59).
References:
[1] Pyysalo, U. 2000. A Method to Create A Three-dimensional Forest Model
from Laser Scanner Data. The Photogrammetric Journal of Finland, Vol.
17, No. 1, pp. 34-42
[2] Reitberger J, Krzystek P, & Stilla U. 2008. Analysis of full waveform LIDAR
data for the classification of deciduous and coniferous trees. International
journal of remote sensing, 29 :1407-1431.
[3] Järnstedt, J. 2010. Erittäin korkean resoluution ilmakuvista tuotettu pintamalli
puustotunnusten estimoinnissa. Abstract: Forest variable estimation using high-resolution digital surface
model (DSM). Master of Science thesis. University of Helsinki. Department of Forestry. 45+7 p.
[4] Marklund, L.G. 1988. Biomassafunktioner för tall, gran och björk i Sverige. Sveriges
Lantbruksuniversitet. Institutionen för skogstaxering. Rapport 45. 73 p.
[5] Muukkonen, P. 2007. Genralized allometric volume and biomass equations for some tree species in
Europe. European Journal of Forest Research. Volume 126, 2:157-166.
74
Männyn ektomykorritsasienten vaikutus kasvin fotosynteesiin
The effect ectomycorrhizal fungi on Scots pine photosynthesis
Jussi Heinonsalo1,2, Eija Juurola2,3, Aki Linden2 ja Jukka Pumpanen2
1
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, PL 56, 00014 Helsingin yliopisto
Metsätieteiden laitos, PL 27, 00014 Helsingin yliopisto
3
Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto, PL 48, 00014 Helsingin yliopisto
2
Johdanto
Metsäpuiden fotosynteesiaktiivisuuden ja maaperään kulkeutuvan, kasvin yhteyttämän hiilen
välinen suhde on edelleen kiistanalainen. Toisen teorian mukaan fotosynteesiä rajoittavat
lähinnä lehden tai neulasen fysikaaliset ja kemialliset olosuhteet kuten lämpötila, valon määrä
ja ravinnetasot. Toisen teorian mukaan hiilinielu säätelee fotosynteesiä eli jos yhteytetyn
hiilen kulutus ja poiskuljetus on suurta, myös fotosynteesi kasvaa. Aikaisemmassa
tutkimuksessamme [1] totesimme, että eri ektomykorritsasienten läsnäolo männyn juuristossa
vaikutti kasvin ja sen symbionttisten sienten biomassajakaumaan ja vastasidotun hiilen
allokaation. Kun kasvilta hiiliyhdisteitä saavat mykorritsasienet muodostavat runsaasti
sienirihmastoa juuria ympäröivään maahan, on mykorritsojen useissa tutkimuksissa todettu
kuluttavan kasvin tuottamia hiiliyhdisteitä, joilla se muutoin kasvattaisi omaa biomassaansa.
Kokeen tarkoitus oli tutkia miten eri ektomykorritsasienilajit vaikuttavat kasvin fotosynteesiin
ja biomassan muodostukseen. Kokeella oli siis tarkoitus testata vakioiduissa olosuhteissa
lisääkö sienen kasvilta ottama hiili ns. nieluvaikutusta, jonka teorian mukaan tulisi lisätä
kasvin fotosynteesiä. Lisäksi tutkimme vaikuttaako sienilaji taimien typenottoon tai typen
jakaantumiseen juuri- ja neulasbiomassan välillä.
Aineisto ja menetelmät
Koe suoritettiin laboratoriossa koeputkissa, joissa kasvoi männyntaimi. Kontrollikäsittelyssä
männyt kasvoivat steriileissä olosuhteissa ja sienikäsittelyissä mäntyyn oli siirrostettu
kuhunkin yhtä sienilajia. Kokeessa testattiin kahdeksan sienilajin (Piloderma croceum, Suillus
variegatus, S. bovinus, Amanita porphyria, Lactarius rufus, Thelephora terrestris, Tomentella
echinospora ja Cenococcum geophilum) vaikutusta biomassajakaumaan ja hiilenvaihtoon.
Rinnakkaisten määrä oli enimmillään 16. Fotosynteesimittaukset suoritettiin läpivirtaukseen
perustuvalla kaasunvaihto- ja fluoresenssimittauslaitteistolla (GFS-3000, Walz, Germany).
Kokeen lopuksi taimien neulas-, verso- ja juuribiomassat ja niiden hiili- ja typpipitoisuus
mitattiin alkuaineanalysaattorilla (VarioMax CN Elemental analyser).
Tulokset ja tarkastelu
Mykorritsalliset taimet olivat joko yhtä suuria tai suurempia biomassaltaan kuin
mykorritsattomat kontrollitaimet eli sieni ei pienentänyt kasvin omaa biomassaa. Sienen
kasvualustaan muodostaman rihmaston biomassaa ei kokeessa pystytty määrittämään. Vaikka
mykorritsalliset taimet olivatkin usein suurempia, ei sienikäsittelyillä ollut tilastollista
vaikutusta taimien fotosynteesitehokkuuteen. Biomassaerot siis selittynevät hiilen käytön
tehokkuuden muutoksilla. Typen jakautuminen kasvin eri osien välillä erosi kontrolli- ja
sienikäsittelyiden välillä: mykorritsallisilla taimilla oli suhteessa enemmän typpeä juuristossa
ja vähemmän neulasissa. Koska neulasten typpipitoisuus yleensä korreloi positiivisesti
fotosynteesitehokkuuden kanssa, näyttää tämän kokeen perusteella siltä että
ektomykorritsojen mahdollinen vaikutus kasvien fotosynteesiin liittyy typenottoon ja allokointiin, ei niinkään suurempaan hiilinieluun ja sen fotosynteesiä lisäävään vaikutukseen.
Kirjallisuus
[1] Heinonsalo, J., Pumpanen, J., Rasilo, T., Hurme, K. ja Ilvesniemi, H. 2010. Carbon partitioning in
ectomycorrhizal Scots pine seedlings. Soil Biology & Biochemistry. 42: 1614-1623.
75
Vanhojen metsäojitusalueiden kiintoainekuormituksen jatkuvatoiminen
seuranta
Continuous monitoring of suspended solid load at old ditched peatland forests
Pia Högmander ja Päivi Saari
Keski-Suomen elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus, Piippukatu 11, PL 250, 40101
Jyväskylä
Johdanto
Luonnontilaisilta soilta kulkeutuu vesistöihin luonnonhuuhtoumana mm. kiintoainetta.
Metsätalouden toimenpiteet kuten kunnostusojitus lisäävät eroosiota ja ainehuuhtoumien
riskiä toimenpidealueilta. Vesiensuojelutoimenpiteillä voidaan vähentää vesistöihin päätyvää
kuormitusta, joka kiintoaineen osalta aiheuttaa mm. pohjien liettymistä. Valtakunnallisessa
turvetuotannon ja metsätalouden vesiensuojelun kehittämishankkeessa (TASO-hanke) mm.
seurataan jatkuvatoimisesti Saarijärven reitillä sijaitsevan luonnontilaisen suon sekä
turvemailla sijaitsevien metsätalouskohteiden veden virtaamaa, sameutta ja siitä
laskennallisesti tuotettua kiintoainepitoisuutta vuosina 2012−2013.
Aineisto ja menetelmät
Luonnontilaisen suon taustahuuhtoumaa seurattiin Saarijärven Pyhä-Häkin kansallispuiston
alapuolisesta purosta. Seurantapisteen yläpuolinen valuma-alue on noin 330 ha. Vanhaa
ojitusta seurattiin Karstulassa, Kyyjärvellä ja Multialla. Karstulan ojitus oli pääosin noin 30
vuotta sitten toteutettu, mutta pieneltä osalla valuma-aluetta vesiä tuli noin kymmenen vuoden
takaisesta ojituksesta. Valuma-alue on kooltaan noin 60 ha. Kyyjärvellä valuma-alue on noin
110 ha ja Multialla noin 114 ha. Kumpikin alue on ojitettu 1970-luvulla. Kyyjärvellä on
toteutettu kunnostusojitus syyskuussa 2012 ja Multialle on tulossa hakkuu- ja maanmuokkaus
talvella/kesällä 2013. Tässä on käytetty vain ennen toimenpiteitä kerättyä aineistoa ajalta 1.1.
−31.10.2012.
Jatkuvatoimisen seurannan on toteuttanut EHP-Tekniikka Oy, joka vastaa myös datan
laadusta
kalibrointeineen.
TASO-hanke
on
vastannut
kohteilta
otettavista
kalibrointivesinäytteistä. Vesinäytteiden kiintoainepitoisuudet on määritetty 0,45 µm
suodattimella Jyväskylän yliopiston ympäristöntutkimuskeskuksessa. Automaattiset asemat
mittaavat veden virtaamaa ja sameutta ympäri vuoden. Veden sameutta mitataan optisella
anturilla. Sameus muunnetaan manuaalisten vesinäytteiden tulosten perusteella
matemaattisesti kiintoainepitoisuudeksi. Sameuden ja kiintoainepitoisuuden välinen
riippuvuus seurantakohteilla osoittautui kuitenkin hyvin heikoksi (selitysasteet 0,04−0,6).
Jatkuvatoimista seurantaa ja mittaustulosten kalibrointia jatketaan vuoden 2013 ajan. Tulokset
voivat muuttua kalibrointien myötä.
Jatkuvatoimisen seurannan kuormituslaskelmat on tehty laskemalla tuntikohtaiset kuormat
kertomalla tuntikohtaisesti virtaama ja pitoisuus keskenään ja summaamalla nämä
tuntikohtaiset määrät yli vuorokauden. Vesinäytteiden osalta kuormituslaskelmat tehtiin
käyttämällä jatkuvatoimisen virtaaman keskiarvoja vesinäytteenottoväliltä ja kertomalla ne
vastaavan ajankohdan vesinäytteen pitoisuudella. Laboratoriotulosten alle määritysrajan (0,5
mg/l) olevien arvojen osalta on käytetty arvoa 0,2 mg/l.
Tulokset ja tarkastelu
Luonnontilaiselta suolta tulevan veden sameusarvon vaihteluväli automaattiasemalla oli
seurantajakson aikana 0,7−4,3 NTU ja keskiarvo 1,0 NTU. Vesinäytteistä (n=18) vastaavat
tulokset olivat 0,2−1,6 NTU ja keskiarvo 0,9 NTU. Luonnontilaisen suon sameudesta
76
laskennallisesti saatu kiintoainepitoisuus vaihteli 0,8−11,8 mg/l keskiarvon ollessa 1,7 mg/l.
Vesinäytteiden perusteella luonnontilaisen suon kiintoainepitoisuus vaihteli 0,2−9,2 mg/l
keskiarvon ollessa 1,8 mg/l. Kaikkien kolmen vanhan metsäojituskohteen sameuden
keskiarvon vaihteluväli automaattiasemilla oli 0,7−5,8 NTU (keskimäärin 2,6 NTU) ja
yksittäisten mittauskertojen vaihteluväli 0−362 NTU. Laskennallisesti tuotetun kiintoaineen
keskiarvon vaihteluväli oli vastaavasti 2,9−6,4 mg/l (keskimäärin 4,1 mg/l) ja yksittäisten
mittauskertojen 0−500 mg/l. Laboratorioanalyyseissä (n=52) vanhojen metsäojituskohteiden
sameuden keskiarvo vaihteli 0,7−1,4 NTU (keskimäärin 1,0 NTU) ja yksittäisten
näytteenottokertojen 0,3−2,4 NTU. Vesinäytteiden kiintoainepitoisuuksien keskiarvon
vaihteluväli oli 1,4−2,6 mg/l (keskimäärin 2,1 mg/l) ja yksittäisten mittausten 0,2−17 mg/l.
Tuloksemme vastaavat aiempia tuloksia, sillä luonnontilaisten soiden tai runsaasti suoalueita
sisältävien valuma-alueiden kiintoainepitoisuus on [1] sekä [2] mukaan ollut alle 1,5 mg/l.
Joensuun ym. [3] mukaan vanhoilta metsäojitusalueilta lähtevän veden kiintoainepitoisuus on
ollut keskimäärin lähes 5 mg/l, joten se vastaa jatkuvatoimisen seurantamme tuloksia.
Jatkuvatoimiseen aineistoon verrattaessa vesinäytteiden osalta pääosa kuormituspiikeistä jäi
tavoittamatta ja todennäköisesti osin tämän vuoksi näytteiden pitoisuuksien keskiarvo oli
alhainen. Toisaalta aineistossa oli myös häiriötilanteiden aiheuttamia piikkejä, jotka
poistettiin manuaalisesti. Kuormituspiikkien oikeellisuutta ei pystytty varmentamaan
vesinäytteillä. Myös seuranta-aikamme on lyhyt ja näytemäärä rajallinen.
kg/ha
Kiintoainekuormitus
60
50
40
30
20
10
0
automaattiasemat
vesinäytteet
Kuva 1. Luonnontilaisen suon ja vanhojen metsäojitusalueiden (1=Karstula, 2=Multia,
3=Kyyjärvi) kiintoainekuormitus kg/ha 1.1.-31.10.2012 (Kyyjärvellä 1.1.-6.9.2012)
laskettuna sekä automaattisten mitta-asemien että vesinäytteiden analyysitulosten perusteella.
Tulokset seurantakohteiden välillä vaihtelevat ja yksittäisen kohteen seurantatietoja ei suoraan
voi yleistää. Asematulokset ovat kaikilla seurantakohteilla vesinäytetuloksia korkeampia,
koska vesinäytteenotot eivät tavoittaneet kuormitushuippuja.
Kirjallisuus
[1] Ahtiainen, M. and Huttunen, P. 1995. Metsätaloustoimenpiteiden pitkäaikaisvaikutukset
purovesien laatuun ja kuormaan. Teoksessa: Saukkonen, S. & Kenttämies, K. (toim.):
Metsätalouden vesistövaikutukset ja niiden torjunta. METVE-projektin loppuraportti. Suomen
ympäristö 2. Suomen ympäristökeskuksen monistamo/Oy Edita Ab, Helsinki.
[2] Vuollekoski, M. and Joensuu, S. 2006. MESUVE-hankkeessa perustettujen erityisalueiden
tuloksia. Teoksessa: Kenttämies, K. and Mattsson, T. (toim.): MESUVE-projektin
loppuraportti. Dark Oy, Vantaa.
[3] Joensuu, S., Ahti, E. and Vuollekoski, M. 2001. Discharge water quality from old ditch
networks in Finnish peatland forests. Suo 52(1): 1-15.
77
Kasvidiversiteetin vaikutus denitrifikaatioon, dityppioksidipäästöön ja
mikrobiyhteisöihin maatalousmaassa
Cropping system diversity affects denitrification activity, N2O flux and bacterial communities
in agricultural soil
Heli Juottonen1,2, Brendan O’Neill2, Tracy Teal2, Stuart Grandy3 ja Thomas Schmidt2
1
Biotieteiden laitos, Helsingin yliopisto, [email protected]
Department of Microbiology and Molecular Genetics, Michigan State University, USA
3
Department of Natural Resources and the Environment, University of New Hampshire, USA
2
Johdanto
Yksipuolinen viljely maatalousmailla ja erityisesti monokulttuurit luovat maaekosysteemeitä,
joissa on matala kasvidiversiteetti. Luonnontilaisia maaympäristöjä yksipuolisemman
kasvilajiston voidaan odottaa vaikuttavan hiilen ja typen kiertoon sekä niihin osallistuviin
maaperän mikrobiyhteisöihin. Maatalousmaat ovat luonnontilaisiin maaekosysteemeihin
verrattuna merkittäviä kasvihuonekaasu dityppioksidin (N2O) lähteitä [1]. Tavoitteenamme
oli selvittää peltokasvidiversiteetin vaikutusta dityppioksidin tuotossa keskeisiin
denitrifioiviin bakteereihin ja niiden aktiivisuuteen sekä bakteeriyhteisöihin yleisemmin.
Aineisto ja menetelmät
Näytealat (9 × 27 m) kuuluvat pitkäaikaiseen peltokasvidiversiteetin tutkimusalueeseen
(Biodiversity Gradient Experiment, Kellogg Biological Station Long-Term Ecological
Research Site, Michigan, Yhdysvallat) [2]. Maanäytteet kerättiin yksikasvisilta aloilta (maissi,
soijapapu), kolmivuotisilta viljelykierroilta (maissi-soijapapu-vehnä) sekä kasvilajistoltaan
monipuolisimmilta viljelykierroilta, joissa oli edellisten lisäksi yksi tai kaksi peitekasvia
(puna-apila, ruis). Lisäksi mukana oli kesantoaloja. N2O-vuo määritettiin kentällä
kammiomittauksilla. Denitrifikaatioaktiivisuutta tutkittiin laboratorioinkubaatioissa, joissa
mitattiin 1) netto-N2O-tuottoa sekä 2) kokonaisdenitrifikaatiota, jolloin N2O:n pelkistys N2:ksi
inhiboitiin asetyleenillä. Mikrobiyhteisöjä vertailtiin DNA-pohjaisilla menetelmillä.
Denitrifioijayhteisöt analysoitiin nitriittireduktaasigeeni nirK:n avulla (kloonikirjastojen
sekvensointi,
454-pyrosekvensointi).
Kokonaisbakteeriyhteisöt
analysoitiin
16S
ribosomaalisen RNA (rRNA) geenin 454-pyrosekvensoinnilla.
Tulokset ja tarkastelu
Dityppioksidin nettotuotossa ei havaittu eroja kasvidiversiteetin suhteen. Sen sijaan N2O-vuo
ja potentiaalinen denitrifikaatioaktiivisuus (N2O+N2-tuotto) olivat selvästi suuremmat
korkeimman kasvilajimäärän peitekasvialoilla kuin yksinkertaisemmilla viljelykierroilla ja
yhden kasvin aloilla. Toisaalta peitekasvialoilla suurempi osuus tuotetusta N2O:sta
pelkistettiin N2:ksi. N2O:n osuus denitrifikaation lopputuotteista oli suurin soijapapualoilla ja
pääpiirteittäin N2O:n suhteellinen osuus pieneni N2:n osuuden kasvaessa kasvilajimäärän
mukana.
Yhden kasvin aloilla (maissi tai soijapapu) oli yllättäen runsaampi bakteerilajisto kuin
peitekasvialoilla tai kesantomailla. Myös bakteeriyhteisön koostumus erosi korkeamman
kasvilajimäärän aloista. Samoin denitrifioijayhteisöt erosivat yhden kasvin ja
runsaslajisimpien peitekasvialojen välillä. Yksittäisistä bakteeriryhmistä betaproteobakteerien
suhteellinen osuus sekä denitrifioijista että kokonaisbakteeriyhteisöstä oli suurin
peitekasvialoilla.
Peitekasvialojen korkeampi denitrifikaatioaktiivisuus ja N2O-vuo voivat johtua peitekasvien
tarjoamasta orgaanisesta aineesta ja palkokasvitypestä. Lisäresurssit voivat myös selittää
betaproteobakteerien korkeamman osuuden, koska ryhmä on yhdistetty korkeaan
resurssisaatavuuteen [3]. Tulosten perusteella näyttää, että kasvilajin vaihtuminen vuosittain
viljelykierrossa ei vaikuttanut denitrifikaatioaktiivisuuteen, vaan vasta peitekasvien tuomat
78
lisäresurssit johtivat korkeampaan aktiivisuuteen sekä N2O-tuoton että N2O-pelkistyksen
osalta. Silti jo vuosittainen viljelykasvin vaihto riitti erottelemaan bakteeriyhteisöt
yksikasvisten alojen yhteisöistä.
Kirjallisuus
[1] Robertson, G.P., Paul, E.A. & Harwood, R.R. 2000. Greenhouse gases in intensive
agriculture: contributions of individual gases to the radiative forcing of the atmosphere.
Science 289:1922-1925.
[2] Smith, R.G., Gross, K.L. & Robertson, G.P. 2008. Effects of crop diversity on
agroecosystem function: crop yield response. Ecosystems 11:355-366.
[3] Fierer, N., Bradford, M.A. & Jackson, R.B. 2007. Toward an ecological classification of
soil bacteria. Ecology 88:1354–1364.
79
Mikrobeille helppokäyttöisen hiilen vaikutus boreaalisen metsämaan typen
kierron prosesseihin
Effect of easily available carbon on nitrogen cycling processes in boreal forest soil
Sanna Kanerva1,2,3, Tapio Kotiaho2,4, Veikko Kitunen3, Aino Smolander3
1
Helsingin yliopisto, Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, PL 27, 00014 Helsingin
yliopisto
2
Helsingin yliopisto, Kemian laitos, PL 55, 00014 Helsingin yliopisto
3
Metsäntutkimuslaitos, Vantaan tutkimuskeskus, PL 18, 01301 Vantaa
4
Helsingin yliopisto, Farmasian tiedekunta, PL 56, 00014 Helsingin yliopisto
Johdanto
Boreaalisten metsämaiden sisältämästä typestä valtaosa esiintyy orgaanisessa muodossa eli
esimerkiksi proteiineina, peptideinä, aminohappoina ja aminosokereina. Suurin osa (n. 40 %)
maan typpiyhdisteistä on proteiinityyppisiä [1], mutta myös rakenteeltaan tuntemattomien
yhdisteiden osuus on merkittävä. Koska metsämaan orgaaniset typpiyhdisteet ovat usein
sitoutuneet maan mineraaliainekseen tai humukseen, ne ovat melko hyvin suojassa
mikrobiologiselta hajotukselta. Esimerkiksi tanniini–proteiini –kompleksit saattavat hidastaa
tai estää maassa esiintyvien proteiinien mineralisoitumista [2], mikä osaltaan edistää
orgaanisen typen kertymistä boreaalisiin metsämaihin.
Boreaalisten metsämaiden mikrobiaktiivisuus tavallisesti lisääntyy, jos maahan lisätään
hiiliyhdistettä, jota mikrobit pystyvät helposti käyttämään energianlähteenään. Hiililisäys lisää
myös maan typen kulutusta mikrobien immobilisoiman typen määrän kasvaessa. Koska
suurin osa boreaalisen metsämaan typestä on joko luontaisen rakenteensa tai mineraali- sekä
humusaineksen kanssa muodostamien kompleksiensa vuoksi mikrobeille vaikeasti
käyttökelpoista, aiheuttaa helppokäyttöisen hiilenlähteen lisääminen maahan pulaa
mikrobeille käyttökelpoisesta typestä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten
mikrobeille helposti käyttökelpoisen hiiliyhdisteen pitkäaikainen ja toistuva lisäys vaikuttaa
maan typen kierron prosesseihin ja vaikeasti käyttökelpoisten typpipoolien saatavuuteen.
Menetelmät
Tutkimuksessa käytetty metsämaan humuskerros oli peräisin Enossa sijaitsevalta, kuusikkoa
kasvavalta koealalta. Hiililisäyksen vaikutusta maan typen kierron prosesseihin tutkittiin
laboratoriossa inkubointikokeen avulla, jossa maahan lisättiin säännöllisin väliajoin (ensin 2
viikon välein, ja vuorokaudesta 58 eteenpäin 4 viikon välein) glukoosia (32 mg g-1 maata /
lisäyskerta) 197 vrk:n ajan. Lisäksi kokeen alussa tehtiin tärkkelyslisäys (18 mg g-1 maata)
toimimaan glukoosia hiukan ”hitaampana” hiilenlähteenä maassa. Inkubointi tehtiin pimeässä
+18 °C:ssa, maan kosteuden ollessa 60 % maan vedenpidätyskapasiteetista (WHC).
Inkuboinnin aikana seurattiin säännöllisesti sekä glukoosilisäyksen saaneen että kontrollimaan
(= ei glukoosi-/tärkkelyslisäystä, WHC 60 %) CO2-tuottoa, ammonium- ja nitraattitypen sekä
liukoisen orgaanisen typen pitoisuuksia, mikrobibiomassan sisältämän hiilen (Cmic) ja typen
(Nmic) pitoisuuksia sekä maan proteiinityyppisen materiaalin pitoisuuksia. Lisäksi seurattiin,
tapahtuiko maassa biologista typensidontaa. Natriumdodekyylisulfaatti-polyakryyliamidigeelielektroforeesin (SDS-PAGE) avulla pyrittiin selvittämään, vaikuttiko glukoosilisäys
maan proteiinikoostumukseen.
Tulokset
Glukoosilisäys lisäsi selvästi maan CO2-tuottoa, mutta varsinkin inkuboinnin alussa vaikutus
oli lyhytaikainen kestäen vain muutamia vuorokausia. Kokeen edetessä glukoosilisäyksen
saaneiden maiden CO2-tuotto kuitenkin pysyi kontrollimaata selvästi korkeammalla tasolla
80
aina seuraavaan, 4 viikon kuluttua tapahtuneeseen glukoosilisäykseen asti; tämä saattaa viitata
siihen, että glukoosilisäys tehosti inkuboinnin loppuvaiheessa myös maan luontaisen
orgaanisen aineksen hajotusta (ns. ’priming effect’).
Glukoosilisäys piti maan NH4-N –pitoisuuden hyvin pienenä kontrollimaahan verrattuna koko
inkuboinnin ajan, eikä typen nettomineralisaatiota havaittu, mikä todennäköisesti johtui
mikrobien tehokkaasta typen immobilisaatiosta. Kontrollikäsittelyssä NH4-N –pitoisuudet sen
sijaan kohosivat tasaisesti koko inkuboinnin ajan ja typen nettomineralisaatio oli suurinta
kokeen puolivälissä. Nitraattitypen pitoisuudet olivat sekä glukoosia saaneessa että
kontrollimaassa hyvin matalia. Liukoisen orgaanisen typen pitoisuudet puolestaan
pääsääntöisesti kohosivat glukoosilisäyksen saaneessa maassa kokeen edetessä, kun taas
kontrollimaassa pitoisuudet olivat korkeimmillaan hiukan ennen kokeen puoliväliä ja laskivat
sen jälkeen. Orgaanisen typen osuus liukoisesta totaalitypestä oli kokeen lopussa glukoosia
saaneessa maassa 74 %, kun kontrollimaassa vastaava osuus oli vain 2 %. Viitteitä
biologisesta typensidonnasta ei havaittu missään vaiheessa koetta.
Glukoosilisäys kasvatti maan Cmic ja Nmic –pitoisuuksia hieman kontrollimaahan verrattuna, ja
ero käsittelyjen välillä oli havaittavissa koko kokeen ajan. Maan proteiinityyppisen
materiaalin määrä oli glukoosilisäyksen saaneessa maassa matalampi kuin kontrollimaassa
kokeen puoliväliin asti, jonka jälkeen tilanne kääntyi päinvastaiseksi ja jatkui sellaisena
kokeen päättymiseen asti, jolloin glukoosia saaneessa maassa proteiinityyppisen materiaalin
pitoisuus oli 18 % korkeampi kuin kontrollimaassa. Proteiinien analysointi SDS-PAGE:n
avulla oli erittäin haasteellista näytteiden sisältämien humusaineiden vuoksi, mutta sekä
glukoosilisäyksen saaneesta että kontrollimaasta havaittiin joitakin samankokoisia proteiineja
alueella 10-20 kDa.
Kirjallisuus
[1] Schulten, H.-R. and Schnitzer, M. 1998. The chemistry of soil organic nitrogen: a review.
Biology and Fertility of Soils 26: 1-15.
[2] Kraus, T.E.C., Zasoski, R.J., Dahlgren, R.A., Horwath, W.R. and Preston, C.M. 2004.
Carbon and nitrogen dynamics in a forest soil amended with purified tannins from different
plant species. Soil Biology & Biochemistry 36: 309–321.
81
Orgaanisten lannoitevalmisteiden käyttö kevätvehnän
kasvinravitsemuksessa
Organic fertilizer products as a source of nitrogen in spring wheat
Petri Kapuinen
MTT Kasvintuotannon tutkimus, Toivonlinnantie 518, 21500 Piikkiö, [email protected]
Johdanto
Maatalouden ympäristötukijärjestelmän (MYTJ) typpilannoitusrajat haittaavat hyvien
leivontaominaisuuksien kannalta riittävän valkuaispitoisen vehnän tuotantoa erityisesti
myöhäisiä ja satoisia lajikkeita viljeltäessä. Rajojen puitteissa valkuaispitoisuutta pyritään
nostamaan antamalla osa sallitusta typpiannoksesta vasta heinäkuussa kasvustoon.
Valkuaispitoisuuden nousu on sitä suurempi, mitä myöhemmin typpi annetaan. Pienet alle 15
kg N/ha annokset levitetään yleensä kasvinsuojeluruiskulla usein seoksena kasvitautien
torjuntaruikutuksen kanssa. Tankkiseoksessa typen määrää joudutaan kuitenkin rajoittamaan,
joten menettely ainoastaan vähentää ajokertoja, ei vesimäärää. Tätä suuremmat typpiannokset
kannattaa antaa rakeisena esimerkiksi keskipakoislevittimellä. Lisälannoituksesta kasvustoon
aiheutuu kustannuksia ylimääräisenä levityskertana ja kasvuston tallauksena. Tallaus
voitaisiin ehkä välttää käyttämällä hitaasti vaikuttavaa typpeä jo keväällä.
Mädätysjäännöksessä on ammoniumtypen lisäksi runsaasti liukoisia orgaanisia
typpiyhdisteitä, jotka potentiaalisesti tulevat kasvin käyttöön myöhään kesällä. Lisäksi sen
liukoinen typpi otetaan huomioon MYTJ:ssä lannoitevalmistelainsäädännön mukaisella
menetelmällä 1:5 vesiuutolla määritettynä, joka tyypillisesti aliarvioi kiinteiden orgaanisten
lannoitevalmisteiden typpilannoitusta, koska se ei uuta riittävän tehokkaasti ammoniumtyppeä
tällaisesta matriisista niin, että se vastaisi kasvin käytettävissä olevaa typpeä riittävästi [1].
Tämän takia viljelijä voi käyttää jopa suuremman määrän liukoista typpeä vehnän
lannoitukseen
käyttäessään
kasvinravitsemuksessa
osana
kiinteitä
orgaanisia
lannoitevalmisteita. Toisin kuin mineraalilannoitteiden käyttömäärää orgaanisten
lannoitevalmisteiden käyttömäärää rajoittaa myös MAVIn laajennettu tulkinta ns.
nitraattiasetuksen 5 §:stä, jossa rajoitetaan lannasta tulevan kokonaistypen määräksi 170 kg/ha
vuodessa. Kun kiinteää mädätysjäännöstä käytettään tätä vastaava määrä ennen
kylvömuokkausta, liukoisen typen annos jää alle tavoitetason. Sallitun määrän ja
mädätysjäännöksen mukana tulevan liukoisen typen määrän erotus annetaan tällöin kylvön
yhteydessä kylvölannoittimella.
Aineisto ja menetelmät
Tässä tutkimuksessa, joka toteutettiin Kaarinan Yltöisissä vuonna 2010, pyrittiin selvittämään
mahdollisuuksia nostaa kevätvehnäsadon valkuaispitoisuutta sen leivontaominaisuuksien
parantamiseksi käyttämällä tähkimisen aikaista lisälannoitusta ammoniumsulfaattina (AS) tai
ureana (U) sekä mädätysjäännöstä (MJ1 ja MJ2) typen lähteenä. Kasvustoon myöhäisessä
tähkimisvaiheessa
levitetty
AS
oli
peräisin
puhdistamolietettä
mädättävästä
biokaasulaitoksesta, jossa se oli tuotettu pesemällä ammoniakkipitoisia strippauskaasuja
rikkihapolla. Urea oli eräänlaisena lisälannoituksen kontrollina tavanomaisesta
maatalouskaupasta saatavaa urealannoitetta (46 % N). Lisätyppi annettiin keväällä kylvön
yhteydessä 120 kg N/ha saaneisiin kasvustoihin tähkimisen loppuvaiheessa. Ne annettiin joko
kasvitautiaineen (Proline 0,6 l/ha) kanssa tai sitä ilman. Tankkiseosta käytettiin 300 l/ha.
Orgaanisista lannoitevalmisteista kokeessa oli mukana kiinteä jae biokaasulaitoksen sian
lietelantaa ja elintarviketeollisuuden sivutuotteita sisältävästä mädätysjäännöksestä (MJ1) ja
kiinteä jae puhdistamolietteen mädätysjäännöksestä (MJ2), kummatkin edelleen
tyyppinimeltään mädätysjäännöksiä levitettynä 170 kg/ha kokonaistyppeä vastaava määrä.
Liukoisen typen määrä pyrittiin täydentämään kylvön yhteydessä tasoon 120 kg/ha
82
mineraalilannoitteella. Tällöin mineraalilannoitteesta tulevan typen määrä oli joko 60 kg/ha
(MJ1) tai 90 kg/ha (MJ2). Kokeessa oli lisäksi typpitasot:0, 30, 60, 90, 120, 150 ja 180 kg/ha,
joista perustaso toteutettiin myös kasvitautiaineruiskutuksen (Proline 0,6 l/ha ja 300 l/ha
vettä) kanssa. Kylvön yhteydessä kaikissa tapauksissa käytetty mineraalilannoite oli Yara
Pellon Y3 (17-4-13).
Mineraalilannoitteesta tuleen liukoisen typen osuus sen kokonaismäärästä oli suuri kaikissa
käsittelyissä. MJ1:ta käytettäessä sen osuus oli pienin, periaatteessa 50 %. Tarkasteltaessa
mädätysjäännösten mukana tullutta liukoisen typen määrä lanta-analyysin mukaisen
pitoisuuden perusteella, käsittelyt saivat liukoista typpeä +11,1 kg/ha (MJ1) ja +31,8 kg/ha
(MJ2) perustasoa enemmän.
Tulokset ja tulosten tarkastelu
Sato kasvoi aina tasolle 120 kg/ha saakka, mutta merkittävin osa sadosta saatiin jo tasolla 60
kg N/ha, koska kasvusto ei juuri pystynyt hyödyntämään suurempaa typpiannosta helteisen ja
sateettoman heinäkuun takia (kuva 1a). Kasvusto ei pystynyt hyödyntämään lisätypen tai
mädätysjäännöksen tuomaa potentiaalia, mikä näkyi myös siinä, että suuretkaan typpimäärät
eivät lisänneet sadon valkuaispitoisuutta. Niin ikään mädätysjäännöskäsittelytkään eivät
tuottaneet näissä olosuhteissa perustasoa suurempaa satoa huolimatta suuremmasta
typpiannoksesta, vaan helle ja kuivuusstressin takia lisätyppikäsittelyt kasvustoon jopa
laskivat satoa erityisesti, kun ammoniumsulfaatti annettiin tankkiseoksena kasvitautiaineen
kanssa (Kuva 1b). Kokeessa jäi osoittamatta mädätysjäännösten hitaasti vaikuttavan liukoisen
typen vaikutus vehnän valkuaispitoisuuteen ja koe pitäisikin uusia valkuaispitoisuuden
nousun kannalta otollisimmissa olosuhteissa. Se kuitenkin antoi lisätietoa erilaisten
lisätyppilannoitusten vaikutuksesta kevätvehnän valkuaispitoisuuden helteisenä ja
sateettomana kasvukautena.
kg/ha
Normisato
Valkuaispitoisuus
16
15
14
13
12
11
10
9
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
0
a
30
60
90
120
150
%
kg/ha
Normisato
%
180
Valkuainen
4750
15
4500
14
4250
13
4000
12
3750
11
10
3500
b
kg N/ha
AS
AS+
Proline
Urea
Urea +
Proline
MJ1
MJ2
120 kg 120 kg
N/ha N/ha +
Proline
Kuva 1. Liukoisen typen vaikutus satoon ja valkuaispitoisuuteen a)
mineraalilannoitteella ja b) orgaanisilla lannoitevalmisteilla.
Kirjallisuus
[1] Kapuinen, P., Salo. T., Paavola. T. 2012. Orgaaniset lannoitevalmisteet ohran typen
lähteenä. Julkaisussa Maataloustieteen Päivät 2012. Suomen Maataloustieteellisen Seuran
julkaisuja no 28. Toim. Nina Schulman ja Heini Kauppinen. Viitattu 4.12.2012. Julkaistu
15.1.2012. Saatavilla internetissä. www.smts.fi (Orgaaniset lannoitevalmisteet ohran typen
lähteenä). ISBN 978-951-9041-56-8.
83
Artificial stimulation of soil amine production by addition of organic
carbon and nitrogen transforming enzymes
Antti-Jussi Kieloaho1,3, Jevgeni Parshintsev2, Marja-Liisa Riekkola2, Markku Kulmala1, Jukka
Pumpanen3 and Jussi Heinonsalo1,3
1
Department of Physics, Division of Atmospheric Sciences, P.O. BOX 48, FIN-00014
University of Helsinki, Finland
2
Department of Chemistry, Laboratory of Analytical Chemistry, P.O. Box 55, FIN-00014
University of Helsinki, Finland
3
Department of Forest Sciences, P.O. Box 27, FIN-00014 University of Helsinki, Finland
Introduction
The major part of nitrogen (N) in boreal forest soil is in organic form (Soil Organic Nitrogen,
SON) and largely in forms not directly available for plants or microbes [1]. Since the pools of
nutritionally important inorganic N like NH4+ and NO3- are very low in forest soil [2], the
microbial transformations of SON into more readily available forms is of crucial importance
for forest productivity.
One of the main pathways for amine production is the decay of organic matter in soil [3]. In
soil, amino acids react with specific decarboxylase enzymes which transform them to amines
[4,5]. Amino acid turnover time in forest soil is relatively fast (in hours) because amino acids
can be used as N and C source by plants and especially by microbes [6]. Therefore, amino
acid production by protease enzymes might be the critical step both for ecosystem
productivity as well as for amine production and release from forest soil.
The aim of the study was to artificially introduce enzymes responsible for protein
transformation into amino acids (proteases) as well as soil organic matter (SOM)
decomposition (laccase and manganese peroxidase) in order to increase SON transformation
and amine synthesis. Treatments were conducted both in Scots pine seedlings containing as
well as non-planted microcosms. N transformations were examined, as well as amine
concentration in soil and in volatile form.
Methods
The experiment consisted of eight different treatments, two of which were regarded as
controls concerning enzyme addition or stimulation. Four of the treatments were planted with
one year old nursery grown Scots pine (Pinus sylvestris L.) seedlings and four were nonplanted. The role of bovine serum albumin (BSA) was to act as control protein and equal the
nutritional effect of enzyme additions. Proteases have the ability to degrade proteins into
amino acids and laccase and manganese peroxidase induce SOM decomposition. Glucose
addition has been shown to induce natural soil protease activity (Linden et al., unpublished).
The experiment lasted approximately six months and the treatments with enzyme, protein and
glucose additions were conducted within one more month. After the treatments, the
experiment was continued for one extra month before being harvested for chemical analysis.
Results
The protease activity was discovered more commonly after the treatment with protease or
glucose additions. In planted BSA-control some natural protease activity was found but not in
non-planted controls. Different substrate additions did not cause any differences in total N
percentage, but the presence of the seedlings diminished soil N% by approximately 20%. In
addition, the same effect was clearly seen in dissolved N, NH4+ and NO3-. Plant has exploited
the soluble N forms almost entirely from the system, irrespective of the substrate treatment.
84
However, the presence of the seedling changed the ratio of organic N - inorganic N from
inorganic nitrogen towards organic nitrogen in the soil compared to the non-planted
treatments which were dominated in inorganic nitrogen forms, NH4+ and NO3-.
The overall sums of the detected amines did not differ between any of the treatments although
there was a trend of increased amine production in the absence of plants. Some amines in soil
had a positive correlation with the presence (ethanol amine, spermidine, sec- and
isobutylamine) or absence (dimethylamine) of plants.
Conclusions
Based on the results obtained so far, it seems that artificial induction of amines in forest soil
condition was not successful. However, we should keep in mind that large variations in
natural forest soil conditions may mask the effects potentially caused by the enzyme and
glucose additions. In addition, the reactions may be too fast for our sampling protocol.
However, it is evident that the effect of plant is crucial on many soil biochemical processes,
and that soils did contain high quantities of certain amines and there were differences in
amine compounds present and concentrations between planted and non-planted treatments.
Therefore, the results confirm that if detected amines are volatilised, soils may be a significant
source of amines in forest environment.
Acknowledgements
This work was supported by the Academy of Finland (grant number 218094), EU/ERC
ATMNUCLE and Maj and Tor Nessling Foundation (grant number 2012544).
References
[1] Knicker, H. 2011. Soil organic N – An under-rated player for C sequestration in soils? Soil
Biol. Biochem. 43: 1118-1129.
[2] Korhonen, J.F.J., Pihlatie, M., Pumpanen, J., Aaltonen, H., Hari, P., Levula, J., Kieloaho,
A.-J., Nikinmaa, E., Vesala, T., and Ilvesniemi, H. 2012. Nitrogen balance of a boreal Scots
pine forest. Biogeoscience discuss, 9: 11201-11237.
[3]Vranova, V., Rejsek, K., Skene, K.R., and Formanek, P. (2011) Non-protein amino acids:
plant, soil and ecosystem interactions. Plant Soil, 342: 31-48.
[4]Yan, F., Schubert, S., and Mengel, K. 1996. Soil pH increase due to biological
decarboxylation of organic anions. Soil Biol. Biochem, 28: 617-624.
[5]Nässholm, T., Huss-Danell, K., and Högberg, P. 2001. Uptake of glycine by field grown
wheat. New Phyt. 150: 59-63.
[6]Jones, D.L. and K. Kielland 2012. Amino acid, peptide and protein mineralization
dynamics in a taiga forest soil. Soil Biol. Biochem. 55: 60-69.
85
Nanohopean, nanogalliumin ja nanoindiumin vaikutus sienten kasvuun ja
entsyymien tuottoon
Impacts of nano-silver, nano-gallium and nano-indium to the growth and enzyme production
of ascomycetous and basidiomycetous fungi
Beata Kluczek-Turpeinen1, Annele Hatakka1 ja Mika A. Kähkönen1
1
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos/ mikrobiologian ja biotekniikan osasto, PL 56
(Biokeskus 1, Viikinkaari 9), 00014 Helsingin yliopisto, [email protected]
Johdanto
Nanometallien tuotanto ja käyttö on nopeasti laajeneva alue. Nanometallien käytön
lisääntyminen saattaa aiheuttaa ympäristöongelmia. Nanohopealla on antibakteerisia
ominaisuuksia. Nanohopean, nanogalliumin ja nanoindiumin vaikutuksia sieniin tunnetaan
vain vähän. Sienet tuottavat solun ulkoisia entsyymejä, joilla on keskeinen rooli detrituksen
hajoamisessa ja ravinteiden kierrossa [1,2]. Puuta ja kariketta lahottavat sienet sekä jotkut
askomykeettisienet tuottavat epäspesifisiä hapettavia entsyymejä, joita ovat lakkaasit ja
peroksidaasit. Solun ulkoiset entsyymit kykenevät hajottamaan biopolymeerejä. Tavoitteena
on tutkia nanohopean, nanogalliumin ja nanoindiumin vaikutus kolmen basidiomykeettisienen
ja kahden askomykeettisienen kasvuun ja hapettavien entsyymien tuottoon.
Aineisto ja menetelmät
Valitut sienet olivat basidiomykeetit Pleurotus pulmonarius, Phlebia radiata ja Physisporinus
rivulosus sekä askomykeetit Alternaria sp. ja Fusarium sp. Tutkitut basidiomykeetit kasvavat
lähinnä metsissä ja askomykeetit pelloilla. Sienten kasvua ja hapettavien entsyymien tuottoa
tutkittiin ABTS (2,2’-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonic acid) indikaattorivärimaljoilla, joissa oli nanohopeaa, nanogalliumia ja nanoindiumia (0-50 mg kg-1).
Tulokset ja tulosten tarkastelu
Kaikki kolme basidiomykeettiä ja askomykeettiä kasvoivat nanohopeaa, nanogalliumia ja
nanoindiumia sisältävillä maljoilla (10-50 mg kg-1). Kaikki basidiomykeetit muodostivat
värivyöhykkeen ilman tai tutkittujen nanometallien (Ag, Ga, In) kanssa indikoiden
hapettavien entsyymien tuottoa. Kumpikaan tutkituista askomykeeteisä ei tuottanut
värivyöhykettä ilman tai tutkittavien nanometallien (Ag, Ga, In) kanssa indikoiden, että nämä
sienet eivät tuottaneet hapettavia entsyymejä. Nanogallium ja nanoindium inhiboivat P.
radiatan, Alternaria sp. ja Fusarium sp. kasvua. P. radiatan hapettavien entsyymin tuotto oli
herkkä nanohopealle, nanogalliumille ja nanoindiumille. P. pulmonariuksen hapettavien
entsyymin tuotto oli tolerantti nanohopealle, nanogalliumille ja nanoindiumille. P.
rivulosuksen hapettavien entsyymien tuotto jopa hyötyi nanogalliumista. Tulokset osoittavat,
että nanohopea, nanogallium ja nanoindium vaurioittavat sieniyhteisöjä ja muuttavat
hiilenkiertoa nanometalleilla pilaantuneessa maaperässä.
Kirjallisuus
[1] Hartikainen E.S., Lankinen P., Rajasärkkä J., Koponen H., Virta M., Hatakka A. and
Kähkönen M.A. 2012. Impact of copper and zinc on the growth of saprotrophic fungi and the
production of extracellular enzymes. Boreal Environment Research 17,210-218.
[2] Lankinen P., Kähkönen M. A., Rajasärkkä J., Virta M., Hatakka A. 2011. The effect of
nickel contamination on the growth of litter-decomposing fungi, extracellular enzyme
activities and toxicity in soil. Boreal Environment Research 16, 229-239.
86
0 mg Ga/ kg
10 mg Ga/ kg
20 mg Ga/ kg
50 mg Ga/ kg
250
Kasvu (%)
200
150
*
100
50
*
*
* * *
**
Fusarium sp.
Alternaria sp.
P. rivulosus
P. pulmonarius
P. radiata
0
Kuva 1. Kolmen basidiomykeettisienen ja kahden askomykeettisienen kasvuprosentti ABTS
maljoilla, joissa on 10, 20 ja 50 mg Ga kg-1, suhteessa kasvuun ilman metallia (100 %).
0 mg Ga/ kg
20 mg Ga/ kg
300
10 mg Ga/ kg
50 mg Ga/ kg
Värivyöhyke (%)
250
200
150
100
*
*
*
50
P. rivulosus
P. pulmonarius
P. radiata
0
Kuva 2. Kolmen basidiomykeettisienen värinvyöhykkeenmuodostumisprosentti ABTS
maljoilla, joissa on 10, 20 ja 50 mg Ga kg-1, suhteessa värinvyöhykkeen
muodostumisprosenttiin ilman metallia (100 %).
87
Laskeutusallas-kosteikosta poistettavan sedimentin peltolevitys
Constructed wetland sediment as a source of plant-available phosphorus
Johanna Laakso1, Risto Uusitalo2 ja Markku Yli-Halla1
1
2
Maaperä- ja ympäristötiede, PL 27, 00014 Helsingin yliopisto
MTT, Kasvintuotannon tutkimus, 31600 Jokioinen
Johdanto
Laskeutusaltaiden ja kosteikoiden avulla pyritään vähentämään pelloilta vesistöihin joutuvaa
eroosioaineksen määrää ja ravinnekuormitusta. Altaan syvänteeseen kertynyt liete on
poistettava ennen kuin sille varattu tila täyttyy ja sedimentti lähtee tulvalla uudelleen
liikkeelle. Maatalouskosteikoista poistettava sedimentti suositellaan levitettäväksi takaisin
pelloille [1], mikä tukee pyrkimystä suljetumpaan ravinnekiertoon. Pellolle levitetty
sedimentti ei välttämättä kuitenkaan ole hyvää kasvualustaa [2], vaan laskeutusallas-kosteikon
sedimentillä saattaa olla taipumus sitoa fosforia ja kasvit voivat kärsiä ankarasta fosforin
puutteesta [3]. Tämän tutkimuksen tarkoitus on selvittää laskeutusallas-kosteikon sedimentin
fosforinsitomiskykyä, syitä sen mahdolliselle kasvulle ja arvioida sedimentin arvoa
kasvinravinteiden lähteenä. Tutkimuksessa luonnehditaan erilaisia laskeutusallas-kosteikkojen
sedimenttejä rinnan valuma-alueen peltomaanäytteiden kanssa. Kesällä 2012 käynnistyneen
LASSE-hankkeen tavoitteena on tuottaa ohje viljelijöille kosteikosta poistettavan sedimentin
käytölle.
Aineisto ja menetelmät
Tutkimuskohteiksi valittiin kuusi kosteikkoa, joista viisi sijaitsevat savimaalla ja yksi
hietamaalla. Kahdessa kosteikossa käytetään saostuskemikaaleja. Tutkimuskosteikot ovat:
Hovi (Vihti), Liedonperä (Lieto), Löytäneen lampi (Säkylä, hietamaa), Ojainen (Jokioinen),
Kakskerta (Turku, polyalumiinikloridi-annostelu) ja Nautela (Lieto, ferrisulfaatti-annostelu).
Näytteet otettiin syyskuussa 2012. Kosteikoista otettiin sedimenttinäytteet viipaloivalla
Limnos-sedimenttinoutimella,
ns.
bulkkisedimenttinäytteet,
ja
niiden
pareiksi
peltomaanäytteet altaiden lähivaluma-alueilta. Sedimenttinäytteistä mitattiin kenttämittarilla
pH, hapetus-pelkistyspotentiaali ja lämpötila.
Sedimentti- ja peltomaanäytteistä analysoidaan helppoliukoinen fosfori, potentiaalisesti
hapellisissa ja hapettomissa olosuhteissa vapautuva fosfori, fosforin kokonaispitoisuus sekä
epäorgaanisen fosforin fraktiot. Näytteistä määritetään myös lajitekoostumus, N, K, org. C
sekä oksalaattiuuttoisen Fe:n, Al:n ja P:n pitoisuudet. Sedimentti- ja peltomaanäytteiden
analysointia jatketaan astia- ja inkubointikokeilla. Astiakokeessa tutkitaan kasvien
fosforinsaantia käyttäen kasvualustana erilaisia peltomaan ja sedimentin seossuhteita.
Inkubointikokeessa määritetään sedimenttilisäyksen vaikutus peltomaan sorptiodesorptioisotermiin (Q/I-plot).
Tulokset ja tarkastelu
Savimailla sijaitsevien kosteikkojen sedimenteistä havaittiin näytteenoton yhteydessä selvästi
hapettomiin olosuhteisiin viittaavia mustia sulfidilaikkuja ja rikkivedyn hajua. Hietamaan
kosteikon (Löytäneen lampi) pohjasedimentti sen sijaan oli hapellinen. Sedimenttinäytteiden
pH vaihteli Löytäneen lammen 5,7:stä Ojaisten kosteikon 7,8:aan. Matalin hapetuspelkistyspotentiaalin lukema (-21 mV) mitattiin kenttämittarilla Ojaisten sedimentistä, mikä
viittaa täysin hapettomiin olosuhteisiin.
Ensimmäiset sedimenttianalyysit osoittavat, että savisedimentin helppoliukoisen fosforin
pitoisuus on huomattavasti korkeampi kuin kosteikkoa ympäröivältä pellolta otetuissa
maanäytteissä (kuva 1). Uuttomenetelmänä käytettiin anioninvaihtohartsiuuttoa (AER-uutto),
88
jolla määritetään potentiaalisesti liukenevan fosforin määrä hapellisissa olosuhteissa. AERuuttomenetelmän on osoitettu kuvaavan hyvin leville käyttökelpoisen fosforin määrää
näytteessä [4]. Kosteikon sedimentissä fosforia sitova Fe(III) pelkistyy hapettomissa
olosuhteissa liukoiseksi Fe(II):ksi, jolloin sedimentin fosforinpidätyskyky laskee, ja fosforia
voi vapautua hiukkaspinnoilta. Sedimentin hapettuessa uudelleen, esimerkiksi pellolle
levitettäessä, liukoinen rauta saostuu Fe(III)-muotoiseksi maahiukkasten pinnoille ja saattaa
lisätä maa-aineksen fosforinsitomiskykyä huomattavasti.
Kuva 1. Sedimenttinäytteiden ja maanäytteiden potentiaalisesti hapellisissa olosuhteissa
liukenevan fosforin pitoisuudet (mg P/kg) anioninvaihtohartsiuutolla.
Kiitokset
Tätä tutkimusta rahoittaa Maa- ja metsätalousministeriö.
Kirjallisuus
[1] Puustinen, M., Koskiaho, J., Jormola, J., Järvenpää, L., Karhunen, A., Mikkola-Roos, M.,
Pitkänen, J., Riihimäki, J., Svensberg, M. & Vikberg, P. 2007. Maatalouden
monivaikutteisten kosteikkojen suunnittelu ja mitoitus. Suomen ympäristö 21. 80 s.
[2] Nyholm, A-M., Jansson, H., Puronummi, N., Nyholm, R., Ala-Opas, P., Hakala, I., Huitu,
E., Mäkelä, S., Tulonen, T. & Arvola, L. 2003. Valuma-alueen ja vesistön välisen
vuorovaikutuksen arviointi. Maa- ja elintarviketalous 38: s.58-59.
[3] Heikkinen, J. 2011. Kosteikkosedimentin fosforivarat ja niiden käyttökelpoisuus kasveille.
Pro gradu -tutkielma. Elintarvike- ja ympäristötieteenlaitos. Helsingin yliopisto. Pro Terra 54.
67 s.
[4] Uusitalo, R. & Ekholm, P. 2003. Phosphorus in runoff assessed by anion exchange resin
extraction and an algal assay. Journal of Environmental Quality 32: 633-641.
89
Tulevaisuuden maaperän muodostuminen merenpohjan sedimenteistä
Olkiluodon ympäristössä
Sea bottom sediments developing into future soils at Olkiluoto surrounding
Anne-Maj Lahdenperä ja Ari Ikonen
1
2
Saanio & Riekkola Oy, Laulukuja 4, 004200 Helsinki, Finland
Posiva Oy, Olkiluoto, 27160 Eurajoki, Finland
In Finland, the Olkiluoto Island on the western coast has been selected as a repository site for
spent nuclear fuel. Due to the shallow sea areas around the island, the post-glacial crustal
rebound ("land uplift"; at present abound 6 mm/y) is going to change the landscape
significantly relatively soon [1]. During the next thousands of years, the present bays will
narrow and form future lakes and their catchment areas. The effects of this terrain
development are important factors in the long-term safety assessment for the repository,
especially in the biosphere assessment [2] addressing the radiation exposure of people, plants
and animals in scenarios of radionuclide release.
In this biosphere assessment, the existence of acid sulphur-rich soils needs to be taken into
account as it affects the transport of the possible released radionuclides in the surface
environment. Also, to maintain favourable groundwater conditions for the waste canisters, it
needs to be shown that the buffering capacity of the overburden and the bedrock is sufficient
to prevent transport of sulphur compounds to the deep groundwater.
Large areas of naturally occurring sulphide-bearing sediments have been deposited under
reducing conditions on the bottom of the current Baltic Sea during the Holocene epoch, and
due to rapid post-glacial rebound, a large portion of these sediments have raised above the
current sea level (up to about 60 m a.s.l.) but below the highest level of the ancient Littorina
Sea. Sulphur-containing sediments are deposited also at present, especially in sea bays and
river estuaries from where they can eventually rise to form acid sulphate soils. As these
sediments are associated to certain sulphide-rich deposition conditions and, as fine-grained
sediment, prone to deposition or erosion in different conditions, information of shoreline
displacement and changes in physical exposure of the bottom is essential when predicting the
future soil types.
In the sea area around the Olkiluoto Island, the stratigraphy of the unconsolidated sediment
layers and the topography of the rock surface have been mapped by acoustic-seismic
soundings covering in total about 300 km² [3, 4, 5]. The geological units distinguished from
these data are Precambrian rock and Jotnian sandstone; till; glacio-acoustic mixed sediment;
glacial clay; Ancylus clay; Littorina clay; sand and gravel, recent mud; and gaseous “bubble
pulse effect” sediments. The fine-grained sediments, potential acid sulphate soils, are locating
mainly in the rock basins and sheltered and shallow areas.
The geochemistry of ten fine-grained surface sea sediment cores (< 50 cm) was studied by
[6]. The pH was determined using 0.01 M CaCl2 extraction. pH varied significantly between
the different sampling sites. Sediments that become very acidic (pH < 4) upon oxidation were
found in the western offshore and in the sheltered Olkiluodonvesi Bay; in the Eurajoensalmi
Bay the pH was slightly higher. The total sulphur concentration varied from 0.75 g/kg to 16.7
g/kg, aluminium concentration from 44.6 g/kg to 65.2 g/kg and iron concentration from 24.7
g/kg to 52.3 g/kg. Total concentrations of arsenic, cobalt, copper, chromium, nickel, zinc and
vanadium exceeded background values in most of the sediments. The distribution pattern of
these high element concentrations is closely linked to that of organic matter.
90
Sedimentary iron sulphides are by far the most important sources producing future acid
sulphide soils. Thus, it is important to analyse plausible millennial-scale scenarios on the
future surface environment at Olkiluoto resulting from the post-glacial rebound, subsequent
development of the ecosystems and different forms of land usage. The description of the
present conditions of the surface systems forms the basis for assessing the evolution of, for
example, the topography, overburden, hydrology, flora and fauna within the climate
conditions [7, 1].
References:
[1] Haapanen. R., Aro, L., Helin, J., Hjerpe, T., Ikonen, A.T.K., Kirkkala, T., Koivunen, S.,
Lahdenperä, A-M., Puhakka, L., Rinne, M. & Salo, T. 2009. Olkiluoto Biosphere Description
2009. Posiva Oy, POSIVA 2009-02, 415 p. www.posiva.fi
[2] Hjerpe, T., Ikonen, A.T.K. & Broed, R. 2010. Biosphere Assessment Report 2009. Posiva
Oy, POSIVA 2010-03. 186 p. www.posiva.fi
[3] Rantataro, J. 2001. Acoustic-seismic Research in the Sea Area near Olkiluoto in the year
2008. Posiva Oy, Working Report 2001-11. www.posiva.fi
[4] Rantataro, J. 2002. The Estimation of Sedimentary Rock Covered Areas as well as
Supplementary Interpretation of Acoustic-seismic Research in Olkiluoto Area. Posiva Oy,
Working Report 2002-38. www.posiva.fi
[5] Rantataro, J. & Kaskela, A. 2009. Acoustic-seismic Studies in the Sea Area close to
Olkiluoto, 2008. Posiva Oy, Working Report 2009-122. www.posiva.fi
[6] Lahdenperä, A-M. & Keskinen, A. Chemical and Physical Properties of the Surface Sea
Sediments at the Olkiluoto Offshore, South-Western Finland. Posiva Oy, Working Report
2011-80. 149 p. www.posiva.fi
[7] Ikonen, A.T.K., Aro, L. & Leppänen, V. 2008. Forecasts of Future Terrain and Vegetation
Types at Olkiluoto and Implications for Spatial and Temporal Aspects of Biosphere
Modelling. Applied Radiation and Isotopes 66: 1754-1758.
91
Maaperän pitkäaikaisen lämmittämisen ja ravinteiden lisäämisen
vaikutukset kuusen hienojuuriin sekä kariketuotantoon
Fine root turnover and litter production of Norway spruce under long-term soil warming and
nutrient manipulation
Jaana Leppälammi-Kujansuu1, Maija Salemaa2, Dan Berggren Kleja3, Sune Linder3 ja HeljäSisko Helmisaari1
1
Helsingin yliopisto, Metsätieteiden laitos
Metsäntutkimuslaitos, Vantaan yksikkö
3
Swedish University of Agricultural Sciences
2
Pohjoisilla leveysasteilla alhaiset lämpötilat ja lyhyt kasvukausi rajoittavat ravinteiden
saatavuutta ja sitä kautta puiden kasvua. Ilmastonmuutos tulee ennusteiden mukaan
nostamaan keskilämpötiloja ja lisäämään sadantaa erityisesti pohjoisilla leveysasteilla [1],
mikä kiihdyttää ravinteiden mineralisaatiota. Miten tämä vaikuttaa boreaalisten havupuiden
juuristoihin sekä niiden sienisymbiontteihin, on haastava kysymys, sillä hienojuuret yhdessä
mykorritsojensa kanssa vastaavat merkittävästä osuudesta metsämaahan kulkevasta
hiilivuosta [2,3]. Sen lisäksi, että ne uusiutuvat nopeasti, niiden sisältämä hiili saattaa säilyä
maaperässä kauemmin kuin maanpäällisistä osista peräisin oleva hiili [4]. Tärkeydestään
huolimatta metsien hiilenkierron maanalaisia osia on tutkittu paljon vähemmän kuin
maanpäällisiä osia, mikä aiheuttaa monia epävarmuustekijöitä metsien hiilenkierron
mallintamisessa [5] sekä hiilitaseiden raportoinnissa.
Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin kuusimetsän vuotuista maanalaista ja maanpäällistä
kariketuotantoa maaperän pitkäaikaisen, kasvukauden aikaisen lämmittämisen (14-16 vuotta,
+5 C°) ja/tai lannoittamisen (22-24 vuotta) jälkeen. Maaperän lämmitys toteutettiin maahan
upotetuilla lämmityskaapeleilla ja lannoitus nestemäisenä, puiden kasvun kannalta
optimaaliseen lannoitukseen pyrkivällä ravinneliuoksella. Kaikki koealat olivat kasteltuja
kuivumisen välttämiseksi. Hienojuurikariketuotanto (juurten läpimitta <1mm) laskettiin
jakamalla
juuribiomassa
[6]
juurten
elinikäestimaatilla,
joka
määritettiin
miniritsotronimenetelmällä ja parametrisella regressiomallilla, käyttämällä Weibull-jakaumaa.
Maanalaista ja maanpäällistä kariketuotantoa verrattiin toisiinsa.
Vertailualoilla juurten elinikä oli sekä pintamaassa että kivennäismaassa noin kaksi vuotta ja
vuotuinen kariketuotanto sekä maanpinnan yläpuolella että alapuolella noin tuhat kiloa
hehtaarilla. Lämmityskäsittelyn vaikutukset olivat voimakkaimmat kivennäismaassa:
lämmittämättömiin vertailualoihin verrattuna hienojuuribiomassa oli merkitsevästi suurempi
ja hienojuurten elinikä lyhyempi sekä hienojuurikariketuotanto kolminkertainen. Pintamaassa
taas lannoituksen vaikutukset olivat selkeimmät: hienojuurten elinikä oli lyhin ja
juuribiomassa suurin, mutta myös puuston pohjapinta-ala oli lähes kaksinkertainen muihin
käsittelyihin verrattuna. Vaikka ravinteisuuden lisääntyminen paransi huomattavasti
maanpäällistä biomassan tuotantoa, ja sitä kautta maanpäällistä kariketuotantoa, silti
maanalainen kariketuotanto kasvoi suhteellisesti enemmän. Sekä lämmitys että lannoitus
lisäsivät maanalaista kariketuotantoa maanpäälliseen verrattuna. Kohonnut maaperän
lämpötila ja/tai parantunut ravinteiden saatavuus voivat siis lisätä huomattavasti hiilen virtaa
metsämaahan ilmastonmuutoksen seurauksena.
[1] IPCC (2007) Climate Change 2007. The physical science basis. Cambridge University Press
[2] Helmisaari H-S et al. (2002) For.Ecol.Management 165: 317-326
[3] Godbold et al. (2006) Plant Soil 281: 15-24
[4] Rasse et al. (2005) Plant Soil 269:341-356
[5] Rantakari et al. (2011) http://www.metla.fi/ghg/pdf/Yasso07-Final-report-updated.pdf
[6] Leppälammi-Kujansuu et al. (2012) Plant Soil, in press
92
Ojitettujen turvemaiden N2O-päästöjen, maaperän ominaisuuksien ja mikrobiologisten
prosessien yhteys
Connection between the N2O fluxes, soil properties and microbiological processes in drained
peat soils
Maarit Liimatainen1, Pertti J Martikainen1 ja Marja Maljanen1
1
Ympäristötieteen laitos, Itä-Suomen Yliopisto, PL 1627, 70211 Kuopio
Puh: 040 355 2203, email: [email protected]
Luonnontilaisilla soilla dityppioksidipäästöt (N2O) ovat yleensä pienet. Kun suo ojitetaan ja
kuivatetaan maanviljelyn tai metsätalouden käyttöön N2O-päästöt saattavat moninkertaistua1.
N2O:n muodostumiseen vaikuttavat lukuisat tekijät ja vuotuisissa N2O-päästöissä on paljon
vaihtelua1,2. Useammassa tutkimuksessa on havaittu, että N2O-päästöt ovat suurimmat
orgaanisista maista, joiden hiili-typpisuhde (C/N) on välillä 15-253-5. Tällä optimialueella on
kuitenkin suurta vaihtelua N2O-päästöissä.
Tässä tutkimuksessa selvitettiin mitkä tekijät C/N-suhteen lisäksi selittävät N2O-päästöjen
suurta ajallista ja paikallista vaihtelua ojitetuilla turvemailla. Tutkimme ojitettuja turvemaita,
joiden C/N-suhde on välillä 15-25 (Kuva 1.). Tutkimukseen valittiin erilaisessa maankäytössä
olevia turvemaita tarkoituksena tutkia vaikuttaako maankäyttömuoto N2O-päästöihin. Koska
yli 80% vuotuisista N2O-päästöistä saattaa vapautua talven aikaan6, valittiin tutkimukseen
koealueita, joista N2O-päästöt on mitattu ympäri vuoden. Kaikkien koealueiden turve on
hyvin hajonnutta (von Postin asteikolla 6-10).
3.0
g N m-2 y-1
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
20
40
60
C/N-suhde
80
100
Kuva 1. Valittujen koealueiden N2O-päästöt ja C/N-suhde.
Laboratoriokokeet tehtiin maanäytteillä, jotka oli otettu 11 eri koealueelta Suomessa,
Ruotsissa ja Islannissa. Koealueet edustavat viittä erilaista turvemaiden maankäyttötapaa:
ojitettu turvemaa, metsä, pelto, hylätty pelto sekä metsitetty pelto. Kymmeneltä koealueelta
vuotuiset N2O-päästöt olivat jo tiedossa. Nämä koealueet käsittävät turvemetsän, kaksi
metsitettyä turvepeltoa ja kaksi peltoheittoa Länsi-Suomessa, heinäpellon ja ojitetun
turvemaan Islannissa, metsitetyn turvepellon Ruotsissa ja kaksi turvepeltoa Etelä-ja LänsiSuomessa. Lisäksi valittiin Länsi-Suomesta yksi suometsä, jonka N2O-päästöä ei vielä
93
tiedetty. Kyseisellä koealueella N2O-päästöjä mitattiin 1-3 kertaa kuussa ympäri vuoden
toukokuusta 2010 syyskuuhun 2012.
Samat laboratoriokokeet tehtiin kaikkien 11 koealueen maanäytteille. Maan fysikaaliset ja
kemialliset ominaisuudet selvitettiin kattavasti koealueiden turveprofiileista. Laboratoriossa
tutkittiin inkubaatiokokein N2O:n ja hiilidioksidin (CO2) muodostumista. Denitrifikaation ja
nitrifikaation osuutta N2O:n muodostumiseen arvioitiin asetyleeni-inhibitiokokein. Maan
mikrobibiomassa määritettiin SIR-tekniikalla (substrate induced respiration). Turvemaan
mikrobiyhteisön rakennetta tutkittiin fosfolipidirasvahappotekniikalla (PLFA). Typen
nettomineralisaation sekä nettonitrifikaation lisäksi selvitettiin bruttomineralisaatio ja
bruttonitrifikaatio 15N isotooppileimauskokein. Näytteiden analysointi on vielä kesken, mutta
alustavien tulosten perusteella maankäyttömuoto ei selitä suurta vaihtelua N2O-päästöissä.
Loput analyysit valmistuvat vuoden 2012 loppuun mennessä ja julkaisu vuoden 2013 aikana.
Kirjallisuus
[1] Martikainen, P.J., Nykänen, H., Crill, P. and Silvola J. 1993. Effect of lowered water table
on nitrous oxide fluxes from northern peatlands. Nature 366: 51-53.
[2] Groffman, P.M., Brumme, R., Butterbach-Bahl, K., Dobbie, K.E., Mosier, A.R., Ojima,
D., Pape, H., Parton, W.J., Smith, K.A. and Wagner-Riddle, C. 2000. Evaluating annual
nitrous oxide fluxes at the ecosystem scale. Global Biogeochemical Cycles 14: 1061-1070.
[3] Klemedtsson, L., Von Arnold, K., Weslien, P. and Gundersen, P. 2005. Soil CN ratio as a
scalar parameter to predict nitrous oxide emissions. Global Change Biology 11: 1142-1147.
[4] Maljanen, M., Sigurdsson, B.D., Guðmundsson, J., Óskarsson, H., Huttunen, J.T. and
Martikainen, P.J. 2010. Greenhouse gas balances of managed peatlands in the Nordic
countries – present knowledge and gaps. Biogeosciences 7: 2711-2738.
[5] Marushchak, M. E., Pitkämäki, A., Koponen, H., Biasi, C., Seppälä, M. and Martikainen,
P. J. 2011, Hot spots for nitrous oxide emissions found in different types of permafrost
peatlands. Global Change Biology, 17: 2601-2614.
[6] Maljanen, M., Hytönen, J. and Martikainen, P.J. 2010. Cold-season nitrous oxide
dynamics in a drained boreal peatland differ depending on land-use practice. Canadian
Journal of Forest Research 40: 565-572.
94
Maaveden nitraattipitoisuuden nouseva trendi kuusikossa alhaisen
typpilaskeuman alueella
An increasing trend in nitrate concentration in soil percolation water in a Norway spruce
forest under low nitrogen deposition in Finland
Päivi Merilä1, Kirsti Derome1 Antti-Jussi Lindroos2, Seppo Nevalainen3, Maija Salemaa2 &
Tiina M. Nieminen2
Finnish Forest Research
[email protected]
Institute
Metla,
1
Oulu,
2
Vantaa,3Joensuu,
Finland,
The aim of this presentation is to report the trends in pH and NO3-N in soil percolation water
in Finnish forest sites under intensive forest monitoring. In Finland, soil percolation water
quality has been monitored since 1996 on 12–18 plots located on Norway spruce, Scots pine
and silver birch forest sites as a part of ICP Forests Level II Programme. Soil percolation
water has been collected at 2–4-week intervals during the snow-free period using zero tension
lysimeters. Five lysimeters have been located at three depths: 5, 20, 40 cm below the soil
surface. Percolation water samples were analyzed monthly for pH, NH4-N, NO3-N, SO4-S,
base cations and aluminium. In general, no dramatic changes or strong trends could be found
in pH values during the monitoring period. However, some of the plots showed a weak
decreasing trend in pH. This decrease is most probably related to the natural acidification due
to aging of the tree stand. The NH4-N and NO3-N concentrations were generally very low,
with few exceptions. A spruce plot located in central Finland in Juupajoki showed a steadily
increasing trend in NO3-N concentration still in the depth of 40 cm (Fig. 1) despite the
relatively low N deposition (ca. 300 mg m-2 a-1). The relationship between nitrate leaching
and the condition of the tree stand is discussed.
Juupajoki, NO3-N mg l-1 in percolation water
5 cm
40 cm
Figure 1. The yearly means of nitrate concentration during 1996-2010 in percolation water at
depths of 5 and 40 cm in Juupajoki.
95
Turvetuotannossa olleen sulfaattimaapohjaisen pellon ominaisuuksia
Characteristics of a former peat mining area with an acid sulfate subsoil
Jaakko Mäkelä ja Markku Yli-Halla
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, Maaperä- ja ympäristötiede, PL 27, 00014 Helsingin
yliopisto
Pärnänsuo on Joensuussa mustaliuskevyöhykkeellä sijaitseva sulfaattimaapohjainen turvesuo,
jolta on otettu turvetta vuodesta 1979 viime vuosiin asti. Turpeennoston loputtua on suo otettu
yksityiseen viljelykäyttöön vuonna 2011. Suolla on aiemmin kasvatettu ruokohelpeä, mutta
tulevaisuudessa alueella tullaan todennäköisimmin viljelemään lähinnä kauraa. Toukokuussa
2012 suolla tehtiin kenttämittauksia ja otettiin maanäytteitä tutkimukseen, jonka tarkoituksena
on arvioida alueen viljelyominaisuuksia ja mahdollista hapanta valuntaa ympäröiviin
vesistöihin. Maasta mitattiin pH, redox-potentiaali ja johtoluku kolmesta syvyydestä.
Turvekerroksen paksuuden vaihtelun takia ei mittauksia voitu tehdä tarkalleen samoista
syvyyksistä, vaan ne tehtiin pintamaasta (turvetta tai multamaata), muokkauskerroksen
alareunasta (turvetta tai kivennäismaata) ja pohjamaasta (kivennäismaata). Laskuojien vedestä
mitattiin pH ja liukoisen raudan pitoisuus. Laboratoriossa maanäytteillä tehtiin inkubaatio- ja
huuhtelukokeita, joiden tarkoituksena oli selvittää, onko maassa jäljellä sulfideja ja kuinka
paljon sulfidien hapettumistuotteita maasta voi huuhtoutua. Pintamaanäytteille tehtiin
viljavuusanalyysi.
Turpeenoton päätyttyä jäljellä olevan turvekerroksen paksuus vaihteli voimakkaasti: osalla
alueesta orgaanista kerrosta ei ollut ollenkaan, ja jossain kohti paksuutta oli enemmän kuin
metri. Alue oli kauttaaltaan erittäin hapan, alimmillaan pintamaan pH oli ~2,8, ja
korkeimmillaankin vain ~3,7. Viljellyn peltoalueen vieressä olleelle, nuorta koivikkoa
kasvavalle alueelle kaivettiin kuoppa, josta tehtiin maannostumiseen liittyviä havaintoja.
Kuoppaan tihkuva vesi oli hyvin rautapitoista (250-500 mg/l), ja avo-ojien veden pH oli
tyypillisesti 3,2.
Vaikka turvekerroksen alla ollut kivennäismaa oli jo näytteenottohetkellä hapanta (pH 2,9 –
5,5), sen pH laski inkubointikokeissa edelleen ja saavutti minimi-pH:n 2,63 (vaihtelu välillä
2,63 – 3,30). Voimakkainta lasku oli niillä pohjamailla, joiden päällä oli pellolla ollut niitä
hapettumiselta suojannut paksu turvekerros. Tulokset osoittavat pohjamaan maanäytteissä
olleen jäljellä pelkistynyttä rautasulfidia, jonka hapettuminen laski pH:ta. Huuhtelukokeissa
mitatut sähkönjohtavuudet olivat varsin korkeita, mittatulosten noustessa paikoitellen yli
2.9:ään dS/m (johtoluku 29).
Oletusta rikkisulfidin olemassaolosta tukee myös viljavuusnalyysin tulos, jonka mukaan
tutkituilla mailla rikin pitoisuus vaihteli välillä ~88 mg/l - 4400 mg/l. Huomattavan korkea
pitoisuus viljavuusanalyysissä todettiin myös paikoitellen mangaanilla, jota maassa oli 30 –
3900 mg/l.. Viljavuustutkimuksen tulkinnan mukaan arveluttavan korkean rikkipitoisuuden
alaraja on 150 mg/l, ja mangaanin 1000 mg/l. Tutkittujen maiden helppoliukoisen fosforin
pitoisuus vaihteli välillä 1,5 – 6,1 mg/l (viljavuusluokka huono – välttävä). Kalsiumpitoisuus
oli 500 – 2800 mg/l, pääpainon ollessa matalissa pitoisuuksissa Kaliumin pitoisuus oli
viljavuusluokkien huono (7,7 mg/l), ja tyydyttävä (85 mg/l) välillä. Viljavuusanalyysin
mukaiset maalajit olivat Ct, LCt, ja Mm.
Laskevien pH-arvojen, korkeiden johtolukujen ja liukoisen raudan pohjalta voidaan arvioida
alueella olevan suuri kalkitustarve, jotta sieltä voi saada normaaleja satoja. Myös valumavedet
vaativat neutralointia, jos alueelta tulevaa happamuuskuormitusta ympäröiviin vesistöihin
halutaan hillitä. Inkubaatio- ja huuhtelukokeiden arvojen nopean tasoittumisen ja alueen
96
käyttöhistorian pohjalta voidaan kuitenkin arvioida, että suurin osa kuivatussyvyydellä
olevasta sulfidista on jo hapettunut, eikä happamoitumista voida enää hillitä pohjaveden
pintaa korottamalla. Huomattava osa happokuormasta on todennäköisesti jo poistunut niiden
kolmen vuosikymmenen aikana, jolloin suo on ollut ojitettuna ja turpeenoton piirissä.
Kiitämme Suoviljelysyhdistys ry:tä tutkimusta varten saamastamme apurahasta.
97
Toimintamalli orgaanisten lannoitevalmisteiden ja biostimulanttien
vaikutusten arvioimiseksi kasvien kasvuun ja ravitsemukseen
Procedure to assess impacts of organic fertilizer products and biostimulants on plant growth
and nutrition
Ansa Palojärvi1, Sanna Kukkonen2, Mauritz Vestberg2, Liisa Maunuksela3, Päivi Parikka1 ja
Tapio Salo1
1
MTT (Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus), Kasvintuotannon tutkimus, 31600
Jokioinen
2
MTT, Kasvintuotannon tutkimus, 41330 Vihtavuori
3
Elintarviketurvallisuusvirasto Evira, Mustialankatu 3, 00790 Helsinki
Organic fertilizers, biostimulants and other soil improvers are a potential source of nutrients
and enhanced growth for agricultural crops. Recently, the fluctuations in global markets have
increased variation in prices of fertilizers and agricultural products. The interest for new
fertilizer products and plant growth promoting biostimulants that are often either recycled
from municipal waste or functioning in new and complicated ways has increased in recent
years. Thus, the controlled use of new fertilizer products has become one of the main
concerns in agriculture. In Finland, the legislation of fertilizer products was renewed in 20062007. During this period, the areas of research and monitoring needs were indicated.
The aim of the study is to develop a test system for organic fertilizer products and
biostimulants. Further, the goal is to present guidelines for assessment of new products. The
test system is specially targeted to facilitate the national authority for national registration
process on national market, In addition, the users and manufactures of organic fertilizers and
soil improvers can benefit from the developed methods. The focus is on the analyses of
chemical and biological composition of the products, the methods to analyze the main
properties and growth promotion, and the instructions for safe use. Special focus is on the
availability of nitrogen and phosphorus from organic sources. Biological composition will be
studied by microbiological and molecular biological methods. The results from laboratory
analysis are calibrated against laboratory incubations, pot and field experiments.
98
Sijaintipaikka, maan syvyys vai maataloustoimenpiteet – mikä vaikuttaa
peltomaan mikrobiyhteisöihin?
Site, soil depth or management – what matters for arable soil microbial communities?
Timo Sipilä1, Kim Yrjälä1, Laura Alakukku2 ja Ansa Palojärvi3
1
Helsingin yliopisto, Biotieteiden laitos
Helsingin yliopisto, Maataloustieteiden laitos
3
MTT (Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus), Kasvintuotannon tutkimus, 31600
Jokioinen
2
Soil microbial communities are surely affected by site variation, soil characteristics, depth and
management. One fundamental question in soil microbial ecology is, however, what
contributes most to the structure of microbial communities in a certain ecosystem. Arable soil
microbial communities display significant cross site variation hampering the generalization of
the results obtained from single field studies. The major hypothesis of this study is that
management and depth significantly determine the microbial community structures.
We took the benefit of cross site experimental setup to infer more universal trends. Microbial
community structures from depth 0-5, 5-10 and 10-20 cm were resolved in a unique cross site
experimental set up of six arable fields with long term pairwise no-till and till treatment.
Bacterial 16S rRNA genes and fungal ITS regions were sequenced using 454 FLX Titanium
pyrosequencing, producing 195 977 16S rRNA tags and 89 660 ITS regions tags and analyzed
with mothur and scata server. This data set was compared to microbial PLFA, T-RFLP
fingerprinting results and to soil characteristics in each site.
The pairwise experimental setup enabled demonstration of treatment and depth effect to the
communities despite of high variation between the sites. The comparisons included most
abundant fungal and bacterial genera in the sites (with more than hundred sequence tags)
containing 88% and 82% from all bacterial and fungal sequences, respectively. This
comparison revealed depth and treatment effects to the microbial community structures. In
no-till treatment the depth was clearly the major definer of bacterial communities. Half of the
taxa classified to genus level were impacted by depth (0-5 vs. 10-20 cm) (p<0.15) contrasted
to till treatment, where only 15 % taxa were affected.
Surface soil bacterial communities in no-till treatment (separated by hundreds kilometers in
distance) are more similar to each other than to the communities in depth 10-20 cm (separated
by ten centimeter). Management changed the relative abundance of 27, 15 and 36% bacterial
taxa (p<0.15) with depth (0-5, 5-10 and 10-20 cm respectively). Fungal community structures
displayed much higher site specificity than bacterial communities and treatment and depth
related changes were limited to the restricted number of genera. Presence of Glomeromycota
sequences in 454 libraries correlated with the abundance of arbuscular mycorrhizal fungi fatty
acid markers (NLFA 16:1ω5/PLFA 16:1ω5)(r 0.81 p<0.001) in the soils. The relative
abundance of Proteobacteria in 454 libraries correlated with abundance of fungal biomass
PLFA markers (18:2) (r 0.68 p<0.01). Clay content was linked to the relative abundance of
Gemmatimonadetes in the soil (r 0.73 p<0.01).
These results demonstrate that it is possible to find apparent general trends from diverse soil
microbial communities with careful cross site experimental design and next generation
sequencing based community analysis.
99
Metsäojitetun suon ennallistamisen mikrobiologiset indikaattorit
Microbiological indicators of restoration succession of forestry-drained peatlands
Anuliina Putkinen1,2, Heli Juottonen1,2, Eeva-Stiina Tuittila3,4, Krista Peltoniemi1, Anne
Tolvanen5, Tero Tuomivirta1, Kim Yrjälä2 ja Hannu Fritze1
1
Metsäntutkimuslaitos, Etelä-Suomen alueyksikkö, Vantaa, [email protected]
Biotieteteiden laitos, Helsingin yliopisto
3
Metsätieteiden laitos, Helsingin yliopisto
4
Metsätieteiden osasto, Itä-Suomen yliopisto, Joensuu
5
Metsäntutkimuslaitos, Pohjois-Suomen alueyksikkö, Oulu
2
Yli puolet Suomen suoalasta on ojitettu metsätalouden käyttöön [1]. Huomattava osa
ojitetuista soista ei silti ole tuottanut toivottua puuston kasvua ja näitä alueita pyritäänkin yhä
enemmän ennallistamaan kohti luonnontilaista ekosysteemiä. Tavoitteena on palauttaa
alueille korkea vedenpinta ja samalla mm. suo ns. hiilinieluksi. Tällöin ilmakehän
hiilidioksidia (CO2) sitoutuu turpeeseen enemmän kuin hiilidioksidia ja hapettomassa
hajotusketjussa syntynyttä metaania (CH4) vapautuu ilmakehään. Metsäojitettujen soiden
ennallistamiskehitystä seurataan useimmiten kasvillisuuden ja hydrologian muutoksien kautta.
Vaikutuksia hiilen kiertoon on tutkittu verrattain vähän [2, 3, 4]. Varsinkin ennallistamiseen
ja hiilen kiertoon liittyvistä mikrobiologisista muuttujista tarvitaan lisää tietoa.
Tässä työssä selvitettiin, miten suon ojitus ja ennallistaminen vaikuttaa mikrobiyhteisöihin ja
niiden toimintaan erityisesti metaanikierrossa. Tutkimuskohteena oli nuoria sarasoita PohjoisPohjanmaan maannousemarannikolla (Siikajoki, 64°45´N, 24°42´E). Mukana oli kaksi
ojitettua, ennallistettavaa alaa, kaksi ojitettua, ei-ennallistettavaa alaa sekä kaksi
luonnontilaista kontrollialaa. Ojitetuista aloista kaksi oli säilynyt avoimena ja kahdelle oli
kasvanut jonkin verran puustoa, jota poistettiin ennallistamisen yhteydessä. Näytteitä otettiin
juuri ennen ennallistamista (2008) sekä kaksi vuotta ennallistamisen jälkeen (2010).
Metaania tuottavia arkkeja eli metanogeeneja ja metaania hapettavia bakteereita eli
metanotrofeja analysoitiin niille ominaisten funktionaalisten merkkigeenien avulla (mcrA ja
pmoA). Näiden geenien kvantitoinnin perusteella ennallistaminen nosti sekä metanogeenien
että metanotrofien määrää. Metaanimikrobien DNA-sormenjälkien analysointi (mcrA-TRFLP
ja pmoA-DGGE) ei näyttänyt muutoksia yhteisöjen rakenteessa. Sen sijaan laajemmin
mikrobiyhteisöjä kuvaavat fosfolipidirasvahappojen profiilit (PLFA) näyttivät selviä
muutoksia ennallistetuilla aloilla kontrolleihin verrattuna. Lisäksi sienten määrä suhteessa
bakteereihin sekä mikrobibiomassa oli kasvanut erityisesti puustoisella ennallistetulla alalla.
Useiden mittausajankohtien perusteella veden pinnat nousivat ennallistamisen seurauksena.
Nuorille
soille
ominainen
hetkellinen
vedenpinnan
vaihtelu
näkyi
silti
näytteenottoajankohtina siten, että vesitasot olivat korkeammalla ennen ennallistamista. Tällä
oli vaikutusta potentiaaliseen metaanin ja hiilidioksidin tuottoon sekä metaanin hapetukseen,
joissa mahdolliset ennallistamisvaikutukset peittyivät näytteenottoajankohtien vaikutuksen
alle.
Yleisesti ottaen ennallistamisen mikrobitason vaikutukset olivat selvimpiä puustoisella alalla.
Avoin ennallistettu ala oli lähempänä luonnontilaista jo ennen ennallistamista.
Ennallistamiskehityksen seuraamiseen tuntuisi soveltuvan tämän työn menetelmistä parhaiten
fosfolipidirasvahappojen analyysi, jolla saatiin esiin yllättävän suuria yhteisömuutoksia jo
kaksi vuotta ennallistamisen jälkeen. Myös DNA-pohjaisilla metodeilla saatiin esiin
pitempiaikaisia muutoksia.
100
Kirjallisuus
[1] Paavilainen, E. ja Päivänen, J. 1995. Peatland Forestry - Ecology and Principles.
Ecological Studies 111. Springer-Verlag, Berlin, Germany.
[2] Komulainen, V.M., Nykänen, H., Martikainen, P.J. ja Laine, J. 1998. Short-term effect of
restoration on vegetation change and methane emissions from peatlands drained for forestry
in southern Finland. Canadian Journal of Forest Research 28: 402-411.
[3] Komulainen, V.M., Tuittila, E.-S., Vasander, H. ja Laine, J. 1999. Restoration of drained
peatlands in southern Finland: initial effects on vegetation change and CO2 balance. Journal
of Applied Ecology 36: 634-648.
[4] Juottonen, H., Hynninen, A., Nieminen, M., Tuomivirta, T.T., Tuittila, E.-S., Nousiainen,
H., Kell., D.K., Yrjälä, K., Tervahauta, A. ja Fritze., H. 2012. Methane-cycling microbial
communities and methane emission in natural and restored peatlands. Applied and
Environmental Microbiology 78: 6386-6389.
101
Maatalouden menetelmien hiilensidonta kahdella tutkimusalueella
Etiopiassa
Carbon sequestration by climate smart agriculture in Ethiopia
Karoliina Rimhanen1, Helena Kahiluoto1, Markku Yli-Halla2 ja Elise Ketoja1
1
Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT, [email protected],
[email protected], [email protected]
2
Helsingin yliopisto, Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, [email protected]
Johdanto
Maatalouden menetelmin on mahdollista samaan aikaan parantaa maatalouden tuottavuutta ja
sietokykyä ilmastonmuutoksen vaikutuksille sekä hillitä ilmastonmuutosta [1]. Tutkimuksen
tarkoitus oli arvioida maatalouden parannettujen menetelmien mahdollisuus sitoa hiiltä
maaperään yhdessä Saharan eteläpuolisen Afrikan ruokaturvattomimmista maista Etiopiassa.
Tutkittaviksi valittiin maatalouden menetelmiä, joilla oletettiin olevan parhaat mahdollisuudet
maan hiilivaraston lisäämiseen. Tällaisia menetelmiä olivat 1) laidunnukselta suojelu ja 2)
viljelyterassit Pohjois-Etiopiassa ja 3) peltometsäviljely Keski-Etiopiassa.
Aineisto ja menetelmät
Etiopiasta valittiin kaksi ruoantuotannon kannalta tärkeää aluetta, jotka poikkesivat toisistaan
sekä agroekologisilta että sosioekonomisilta piirteiltään. Agroekologisia eroja edustivat
sadanta, lämpötila, viljelyhistoria ja maan kuluneisuus ja sosio-ekonomisia eroja asutuksen
historia, väestöpaine ja tilakoko sekä etäisyys markkinoista. Tutkittavilta alueilta valittiin 7-8
lohkoa, joilla oli pisimpään harjoitettu parannettuja menetelmiä sekä niiden viereiset,
ympäristön ja maan suhteen mahdollisimman samanlaiset lohkot, joita oli viljelty perinteisin
menetelmin. Parannettujen menetelmien käytössä oloajat vaihtelivat viidestä 20 vuoteen.
Maan hiilipitoisuus ja tilavuuspaino mitattiin näiltä peltolohkopareilta. Jokainen peltolohko
jaettiin kolmeen alalohkoon näytteenottoa varten, jotta lohkojen sisäistä heterogeenisyytta
voitiin tutkia. Näytteenottosyvyys oli 0-15 cm.
Tulokset
Perinteisesti viljeltyihin lohkoihin verrattuna peltometsäviljellyillä lohkoilla hiilivarasto oli
keskimäärin 13 t ha-1 (p=0,09) suurempi, laidunnukselta suojelluilla alueilla 11 t ha-1 (p=0,03)
suurempi ja viljelyterasseilla 1 t ha-1 pienempi (p=0,61) (Kuva 1). Vastaavat erot
suhteutettuna parannettujen menetelmien käytössä olovuosiin olivat seuraavat:
peltometsäviljelyssä +1,6 t ha-1 (p<0,005), laidunnukselta suojelluilla alueilla +0,9 t ha-1
(p=0,02) ja terassiviljelyssä -0,3 t ha-1 (p=0,68). Pareittaisten lohkojen asetelmasta johtuen
parannettujen menetelmien lohkojen hiilivarastojen suuruudet riippuivat perinteisten lohkojen
hiilivarastojen suuruuksista. Jälkimmäisten lisääntyessä yhdellä yksiköllä (t ha-1)
parannettujen menetelmien lohkojen hiilivarastot lisääntyivät keskimäärin 0,6 yksiköllä
(Kuva 2). Laidunnukselta suojelluilla lohkoilla maan hiilivaraston suuruus oli keskimäärin 12
t ha-1 suurempi kuin viljelyterasseilla (p=0,01) (suorien tasoero kuvassa 2).
Peltometsäviljellyillä lohkoilla hiilivaraston suuruus oli keskimäärin 9 t ha-1 suurempi kuin
vapaalta laidunnukselta suojelluilla lohkoilla (p=0,07).
Tulosten tarkastelu
Peltometsäviljelyssä vähäinen muokkaus ja monikerroksinen juuristo sekä puiden lehtien
palautuminen maaperään vähentävät eroosiota ja lannan käytön ohella kasvattavat maan
eloperäisen hiilen varastoa [2]. Vapaalta laidunnukselta suojelluilla lohkoilla eläinten pääsyn
estäminen sekä maan muokkaamattomuus vähentävät hiilen vapautumista maaperästä.
Kasvillisuuden tehokas uudistuminen ja puiden lehtien ja muun kasvillisuuden palautuminen
maaperään kasvattaa eloperäisen aineen varastoja [3]. Viljelyterassien ja
102
Kuva 1. Keskimääräinen hiilivaraston koko ilmastoystävällisin ja tavanomaisin menetelmin
viljellyissä peltolohkopareissa. Janojen pituudet havainnollistavat 95 % luottamusvälejä.
Suluissa olevat luvut ovat lohkoparien lukumääriä.
k
Kuva 2. Tavanomaisin ja ilmastoystävällisin menetelmin viljellyiden peltolohkojen
hiilivaraston kokojen positiivinen yhteys. Ylin viiva kuvaa peltometsäviljelyn, keskimmäinen
laidunnukselta ja ihmistoiminnalta suojelun ja alin viljelyterassien lohkoparien yhteyttä.
perinteisin menetelmin viljeltyjen peltojen keskimääräiset hiilivarastojen suuruudet eivät
poikenneet toisistaan. Tämä saattaa johtua siitä että terassien perustamisvaiheessa terassin
tasanteelle on sekoittunut yläpuolisesta rinteestä pohjamaata, jonka hiilipitoisuus on
pintamaata alhaisempi. Myös maan jatkuva muokkaaminen, lannan vähäinen käyttö ja
terassien sortuminen heikentävät hiilivaraston kertymistä. Johtopäätöksemme on, että
peltometsäviljely ja laidunnukselta suojelu näyttävät lisänneen maan hiilivarastoa perinteisiin
viljelymenetelmiin verrattuna. Sen lisäksi, että kasvanut eloperäisen hiilen varasto parantaa
maan tuottavuutta, voi maatalouden menetelmien hiilivarastovaikutusten empiirinen arviointi
edesauttaa pienviljelijöiden hiilimarkkinoille pääsyä ja täten osaltaan mahdollistaa
huomattavia rahavirtoja pohjoisen teollisuusmaista etelän kehitysmaihin.
Kirjallisuus
[1] Godfray, H.C.J., Pretty, J., Thomas, S.M., Warham, E.J. and Beddington, J.R. 2011. Linking
Policy on Climate and Food. Science 331:1013-1014.
[2] Jose, S. 2009. Agroforestry for ecosystem services and environmental benefits: an overview.
Agroforestry Systems 76:1-10.
[3] Mengistu, T., Teketay, D., Hulten, H., Yemshaw, y. 2005. The role of enclosures in the recovery of
woody vegetation in degraded dryland hillsides of central and northern Ethiopia. Journal of Arid
Environments 60: 259-281.
103
Maan fosforitilan muutokset pitkäaikaisessa viljelyssä
Changes in soil phosphorus status in long-term cultivation
Into Saarela
Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus MTT, 31600 Jokioinen
Johdanto
Suomen maaperässä on runsaasti alkuperäistä luonnon fosforia (P), jonka päämuotoja ovat
sulasta kiviaineksesta kiteytynyt vaikealiukoinen apatiitti ja hyvin hitaasti hajoavat orgaaniset
yhdisteet. Viljelymaihin lannasta ja lannoitteista kertynyt P on kasvattanut alumiini- ja
rautayhdisteisiin pidättynyttä fraktiota, joka on tärkein kasvien P-lähde ja voi vapautua
eroosioaineksesta levien käyttöön. Maan P:n kokonaismäärää ja kemiallisia fraktioita on
Suomessa analysoitu edustavista näyteaineistoista jo 80 vuoden ajan. Poster-esitys on
yhteenveto kirjallisuustutkimuksesta, jossa tarkasteltiin P:n kertymistä positiivisen P-taseen
seurauksena sekä maan P-varoja ja niiden muutoksia [1]. Vanhoja tutkimuksia täydennettiin
laskemalla viljavuustutkimuksen P-luvun ja labiilin P:n suhteita MAVERO-hankkeessa
kerätystä vahvasti rikastetusta maa-aineistosta [2] ja maan P-luvun muutoksia monivuotisissa
kenttäkokeissa eri P-tasoilla [3,4].
Laskettu kertymä ja viljavuustutkimuksen P-luvun muutos
Suomen peltojen P-tase on ollut ylijäämäinen 1940-luvulta saakka, mutta kertymä näkyi maan
P-luvuissa vasta pari vuosikymmentä myöhemmin. Viive johtui vähäravinteisen jankon
sekoittumisesta syvenevään kyntökerrokseen traktorien tullessa hevosparien tilalle auran
vetäjiksi sekä uuden pellon raivauksesta. Suomen peltojen keskimääräinen P-luku 12 mg/l
vastaa 30 kg/ha 0,25 metrin syvyisessä kerroksessa eli runsasta prosenttia maan
kokonaisfosforista. Viljavuustutkimusten yleistyessä 1950-luvun alussa lannoitetun mullan
syvyys oli keskimäärin ainakin neljännestä matalampi ja sen P-luku alle puolet nykyisestä.
Kun P-taseen mukaan laskettu pitkän ajan kertymä lähentelee yhtä tonnia hehtaarille,
uuttuvan P:n lisäys, noin 20 kg/ha, vastaa runsasta kahta prosenttia peltojen P-varojen
kasvusta. Nykyisin viljeltyjen alueiden kertymää on pienentänyt jonkin verran rikastettujen
peltojen uudelleen metsitys ja jääminen tie- ja rakennusalueiden alle. 1990-luvulla
metsitettyjen peltojen P vastasi noin 40 kiloa jokaista maamme viljeltyä hehtaaria kohti [1].
Maan P-fraktioiden muutokset
Viljelymaiden P-varat ovat kasvaneet suhteellisesti nopeimmin turvemaissa, joiden
luonnostaan hyvin niukat epäorgaaniset P-varat, runsaat sata kiloa hehtaarilla, ovat olleet
viljellyillä suopelloilla noin seitsenkertaiset verrattuna viljelemättömiin soihin.
Luonnontilaisten turpeiden fosforista noin neljä viidesosaa on orgaanisina yhdisteinä.
Kivennäismaidenkin luonnon fosforista runsas kolmannes eli keskimäärin kuusisataa kiloa
hehtaarilla on orgaanista. Epäorgaanista fosforia kivennäismaissa on luonnostaan runsas tonni
hehtaarilla, mutta vain neljännes siitä eli 250 kg/ha on labiilissa muodossa pidättyneenä
alumiini- ja rautayhdisteiden pinnoille, joiden pidätyskapasiteetista vain pari prosenttia on
kyllästetty, kun vastaava osuus Euroopan karjatalousalueilla kymmenkertainen. Viljellyissä
kivennäismaissa labiilia fosforia oli jo viisikymmentä vuotta sitten Kailan suurehkossa
aineistossa keskimäärin kaksinkertainen määrä eli 500 kg/ha ja runsaat kolmekymmentä
vuotta sitten tutkituissa koekentissä runsaat 800 kg/ha eli yli kolminkertaisesti luonnontilaisiin
maihin verrattuna [1,3].
Maan P-luvun suhde labiiliin fosforiin vahvasti rikastetuilla mailla
MAVERO-tutkimuksessa P:n huuhtoutumisriskin tutkimista varten kerätystä vahvasti
rikastetusta maa-aineistosta määritettiin viljavuustutkimuksen P-luvun ohella labiilin P:n sekä
sitä pidättävien alumiinin ja raudan pitoisuudet, joiden suhteesta maan P:n liukoisuus paljolti
104
riippuu. Maan P-luvun määrityksessä käytettävä hapan asetaattiuutto on lisäksi herkkä pHluvulle; P-luvut kasvavat pH-luvun kasvaessa yli 6.0:n, nopeimmin pH-välillä 6.5 ja 7.2.
Fosfaatti-ioneja pidättävien alumiini- ja rautayhdisteiden pitoisuus ja siitä riippuva
pidätyskapasiteetti kasvavat maan hienouden mukana. Kun maan P-luku oli 50 mg/l,
kohtalaisen happamilla savimailla (pH 6.0) labiilin P:n tyypillinen määrä oli viisi tonnia
hehtaarilla, eli yksi P-luvun yksikkö vastasi 100 kg P/ha. Suurimmillaan labiili P-fraktio oli
vielä suurempi, mutta neutraaleilla savilla huomattavasti pienempi ja kaikkein pienin
neutraaleilla karkeilla mailla[2].
Maan P-luvun kehitys monivuotisissa viljelykokeissa P-taseilla nolla ja +31 kg/ha
P-lannoituskokeissa [3] kolmen vuoden välein mitatuista maan P-luvuista määritettiin Ptasetta nolla vastaavat arvot ja verrattiin niiden trendejä kokeen alun P-lukuihin. Kun
lannoituksen ja sadon P-sisältö olivat yhtä suuret, viljavuustutkimuksessa happamaan
asetaattiin uuttuvan fosforin pitoisuus ei juuri muuttunut maan P-luvun ollessa kokeen alussa
alhainen, mutta korkeat P-luvut laskivat. P-luvun muutosta prosentteina vuotta kohti (y)
suhteessa kokeen alun P-lukuun (x) selitti merkittävästi seuraava trendi:
y = 0.149 – 0.0482x
Yhtälön mukaan y = 0, kun x = 3,1, ja y = -1, kun x = 23,1. Jälkimmäinen tapaus vastaa Plukua 20.8 kymmenen vuoden kuluttua. P-luvun ylläpitoon olisi tarvittu runsaan kymmenen
kilon vuotuinen ylijäämä pellon P-taseessa. Yksittäiset koekentät poikkesivat trendistä yli
prosentilla. Parilla eloperäisellä maalla liukoisen P:n hävikki oli alhaiselta lähtötasolta
suurempi, mikä vastaa eloperäisten maiden P-lukujen huomattavaa pienenemistä uusimmissa
viljavuustutkimuksissa.
Useimmilla koepaikoilla P-kokeen rinnalla tehdyissä kaliumlannoituskokeissa [4] koko
koealalle levitetty P-määrä 45 kg/ha merkitsi P-taseen ylijäämää +31 kg/ha. Keskimäärin 12vuotisten kokeiden alussa (x) ja lopussa (y) määritettyjen P-lukujen suhde oli karkeilla mailla
ja savimailla seuraavien yhtälöiden mukainen:
Savimaat: y = 3,38 + 0.751x
Karkeat maat: y = 4.23 +
1.146x – 0.0074 x2
Savimailla alun ja lopun P-luvut olivat trendin mukaan yhtä suuria, kun P-luku oli 13,3 mg/l.
Uuttuvaa fosforia oli tällöin pidättynyt melkein 400 kg/ha. Karkeilla mailla P-luku ei
muuttunut kokeen aikana, kun se oli alussa 36,0 mg/l. Savimaiden ryhmässä oli kaksi
kohtalaisen hapanta koealuetta, joiden rinnalla ei ollut P-koetta, ja joiden P-luku pysyi tasolla
10 mg/l P-taseen ollessa +32 kg/ha.
Kirjallisuus
[1] Saarela, I. 2002. Phosphorus in Finnish soils in the 1900s with particular reference to
the acid ammonium acetate soil test. Agric Food Sci Finl 11, 4: 257–271.
[2] Sippola, J. ja Saarela, I. 1992. Suomen maalajien fosforinpidätysominaisuudet ja
niiden merkitys vesien kuormituksen kannalta. Vesihall. monistesarja 359: 27−36.
[3] Saarela, I., Järvi, A., Hakkola, H., ja Rinne, K. 2004. Phosphorus status of diverse soils
in Finland as influenced by long-term P fertilisation. 2. Changes in soil test values in
relation to P balance with reference to incorporation depth of residual and freshly
applied P. Agricultural and Food Science 13, 3: 276–294.
[4] Saarela, I. Huhta, H., Salo, Y. ja Sippola, J. 1998. Kaliumlannoituksen porraskokeet
1977–1994. Maatalouden tutkimuskeskuksen julkaisuja. Sarja A 42: 41 p. + 1 liite.
105
Maan
voimakkaan
tiivistämisen
pitkäaikaiset
vaikutukset
hietasavimaan
muokkauskerroksen kaasunkuljetusominaisuuksiin
Persistent effects of heavy soil compaction on the gas transport properties in the topsoil of a
clay loam
Asko Simojoki1, Minna Mäkelä1 ja Laura Alakukku2
1
Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, PL 27 (Maaperä- ja ympäristötiede,
Latokartanonkaari 11), 00014 Helsingin yliopisto, [email protected]
2
Maataloustieteiden laitos, PL 28 (Agroteknologia, Koetilantie 5), 00014 Helsingin yliopisto
Maan tiivistäminen vähentää suurten maahuokosten määrää, lisää veden pidättymistä ja
hidastaa veden ja kaasujen liikkumista maassa. Tämä voi aiheuttaa hapenpuutetta ja kasvien
kasvun heikkenemistä. Yleensä pintamaan rakennevaurioiden ajatellaan pääosin korjaantuvan
luonnollisten prosessien ja maan muokkauksen ansiosta muutamassa vuodessa, mutta
tiivistyneen pohjamaan muutokset voivat säilyä muuttumattomina vuosikymmeniä [1]. Tässä
tutkimuksessa tutkittiin maan tiivistämisen vaikutuksia hietasavimaan muokkauskerroksen
kaasunkuljetusominaisuuksiin osana yhteispohjoismaista tutkimusprojektia, jossa tutkitaan
maan tiivistämisen pitkäkestoisia vaikutuksia maan toiminnallisuuteen [2].
Kaasun suhteellista diffuusiokerrointa (D/D0), ilmanläpäisevyyttä (ka) ja ilmatilaa maaveden
eri matriisi-imuissa (1, 10 ja 100 kPa) mitattiin rakenteellisista maanäytteistä, jotka oli otettu
15 cm syvyydeltä vertikaalisesti ja horisontaalisesti toukokuussa 2012 Jokioisista koekentältä,
jossa osa koeruuduista oli tiivistetty voimakkaasti neljään kertaan (19 Mg teliakselilla) 30
vuotta aiemmin syksyllä 1981. Tiivistyksen jälkeen pintamaata on muokattu säännöllisesti
kyntämällä tai sänkimuokkauksella vuoteen 2009 asti, jolloin kentällä siirryttiin
suorakylvöön. Tämän vuoksi muokkauskerroksen rakenteen odotettiin olevan suurin piirtein
samanlainen tiivistämättömässä maassa ja kontrollissa (ei voimakasta tiivistyskäsittelyä).
Odotusten mukaisesti tiivistyskäsittelyn vaikutukset maan kuivaan irtotiheyteen ja
ilmahuokoisuuteen olivat melko vähäiset. Maan irtotiheys vaihteli eri koejäsenissä välillä 1.34
– 1.37 kg dm-3. Kontrollimaan vertikaalisten näytteiden irtotiheys oli hieman suurempi (0.020.03 kg dm-3) kuin horisontaalisissa näytteissä tai tiivistetyssä maassa. Ilmahuokoisuudet
olivat 1 kPa:n imussa eri koejäsenissä yleensä noin 0.05 m3 m-3, 10 kPa:n imussa 0.07 m3 m-3,
ja 100 kPa:n imussa 0.10 m3 m-3: ainoastaan kontrollimaan horisontaalisten näytteiden
ilmahuokoisuus oli kaikissa matriisi-imuissa noin 0.02 m3 m-3 suurempi kuin tiivistetyssä
maassa tai vertikaalisissa näytteissä. Ilmahuokoisuudet olivat varsin pieniä kaikissa
koejäsenissä, sillä vasta 100 kPa:n imussa ne ylittivät 0.10 m3 m-3, jota pidetään yleisesti
maan riittävän ilmavuuden kriteerinä.
Maan tiivistyskäsittely vähensi kaasun suhteellista diffuusiokerrointa ja ilmanläpäisevyyttä
muokkauskerroksessa selvästi, mutta ainoastaan horisontaalisesti otetuissa näytteissä.
Vertikaalisesti otetuissa näytteissä erot olivat vähäisiä eivätkä ne olleet merkitseviä. Näin
ollen maan tiivistäminen lisäsi maan anisotropiaa vähentämällä voimakkaasti kaasun
horisontaalisia kuljetusominaisuuksia suhteessa vertikaalisiin kuljetusominaisuuksiin. Kun
anisotropian mittana käytettiin vertikaalisen ja horisontaalisen kuljetusominaisuuksien
suhdetta, sekä kaasun diffuusion että ilmanläpäisevyyden anisotropia oli kontrollimaassa
kosteudesta riippumatta lähellä arvoa 1. Sitä vastoin tiivistämisen vaikutus maan
anisotropiaan riippui voimakkaasti maan kosteudesta. Se oli suurinta märässä maassa (1 kPa
imu), väheni maan kuivuessa ja lähestyi arvoa 1 matriisi-imussa 100 kPa. Märässä maassa
tiivistyskäsittely lisäsi anisotropiaa kaasun diffuusion osalta yli 2.5-kertaiseksi ja
ilmanläpäisevyyden osalta noin 12-kertaiseksi.
106
Tässä tutkimuksessa maan ilmanläpäisevyyden arvot olivat varsin isoja ja vaihtelivat
keskimäärin eri koejäsenissä alueella 9 - 828 µm2. Nämä arvot ovat pääosin alueella 0.01 –
500 µm2, joka kuvaa tavanomaisia ilmanläpäisevyyksiä eri maissa [3]. Suhteellisen
diffuusiokertoimen arvot vaihtelivat keskimäärin eri koejäsenissä alueella 0.002 – 0.032.
Arvoja, jotka ovat pienempiä kuin 0.00075 – 0.005, pidetään riittämättöminä kasvien kasvulle
[3]. Tässä tutkimuksessa märässä maassa mitatut diffuusiokertoimet olivat pääosin tällä
alueella. Toisaalta suhteellisen diffuusiokertoimen arvoja > 0.02 pidetään yleensä riittävinä
takaamaan hapelliset olot maassa. Vain kuivimmassa maassa (100 kPa imu) mitatut arvot
ylittivät tämän rajan.
Maan tiivistyskäsittelyn näkyminen eroina muokkauskerroksen anisotropiassa vielä 30 vuotta
tiivistämisen jälkeen voi periaatteessa johtua suoraan siitä, että luonnolliset prosessit ja maan
muokkaus korjaavat maan horisontaalisia kaasunkuljetusominaisuuksia tiivistämisen jälkeen
hitaammin kuin vertikaalisia, tai toisaalta epäsuorasti siitä, että pohjamaassa säilynyt
tiivistymä on mahdollisesti muuttanut maan vesitaloutta ja lisännyt muokkauskerroksen
tiivistymisherkkyyttä. Näiden mekanismien tarkempi erottelu edellyttää lisäselvityksiä. Joka
tapauksessa tulokset viittaavat siihen, että maan voimakas tiivistäminen aiheuttaa
pitkäkestoisia muutoksia maan kaasunkuljetuksen anisotropiaan tavalla, joka hidastaa
kaasujen liikkumista horisontaalisesti maahorisonttien sisällä.
Kirjallisuus
[1] Alakukku, L. 1999. A review of subsoil compaction due to field traffic. Agricultural and
Food Science in Finland 4-5: 333-351.
[2] Persistent effects of subsoil compaction on soil ecological services and functions
(POSEIDON) https://djfextranet.agrsci.dk/sites/poseidon-nordic/offentligt/Sider/front.aspx
[3] Stepniewski, W., Glinski, J. & Ball, B.C. 1994. Effects of compaction on soil aeration
properties. In: Soane, B.D. & van Ouwerkerk, C. (eds.). Soil Compaction in Crop Production.
Developments in Agricultural Engineering 11. Amsterdam: Elsevier. p. 167-189.
107
Maankäytön ja orgaanisen hiilen vaikutus savimaan mururakenteen
kestävyyteen
Effect of land-use and organic carbon on clay soil aggregate stability
Helena Soinne1,2, Jari Hyväluoma2 ja Eila Turtola2
1
2
HENVI, Helsingin yliopisto, [email protected]
MTT, Kasvintuotannon tutkimus, [email protected], [email protected]
Johdanto
Eteläsuomalaiset savimaat altistuvat yhä enemmän eroosiolle nurmiviljelyn vähentyessä ja
talvikausien muuttuessa leudommiksi. Maaperän ja ilmastonmuutoksen välisiä
vuorovaikutuksia käsittelevän raportin [1] mukaan eroosion ennustetaan voimistuvan, jos
sademäärä ja sateen intensiteetti kasvavat. Puustinen ym. [2] havaitsivat selkeän yhteyden
leutojen talvien ja runsaiden eroosiomäärien välillä, kun pintavalunta lisääntyi ja maa oli
jäätyneenä vain lyhyitä aikoja. Ilmastonmuutokseen varautuminen edellyttää toimenpiteitä,
joilla savimaiden eroosiokestävyyttä voidaan parantaa erityisesti talvikautena eroosioriskin
ollessa suurimmillaan.
Aineisto ja menetelmät
Pintamaasta (0-10 cm) kerätyt maanäytteet jaettiin neljään maankäyttötapaan: metsä,
pitkäaikainen nurmi, suorakylvetyt viljelymaat ja kynnetyt viljelymaat. Maanäytteiden
savespitoisuus vaihteli välillä 28-79%. Näytteenottokosteudessa säilytetyistä maanäytteistä
seulottiin 2-5 mm:n kokoiset luonnolliset aggregaatit. Murujen kestävyyden arviointiin
käytettiin märkäseulontamenetelmää, jonka avulla saadaan vedenkestävien murujen määrä
(Ø>0,250 mm) massaprosentteina sekä maasta irtoavan kolloidisen aineksen määrää kuvaava
turbiditeetti eli sameus (NTU/g). Vedenkestävien murujen määrä kuvaa murujen kestävyyttä
eroosiota aiheuttavia voimia vastaan. Kolloidinen maa-aines koostuu hyvin pienikokoisista
partikkeleista, jotka eivät laskeudu vedessä suurempien partikkelien tavoin ja aiheuttavat siksi
veteen sameutta. Kolloidisen aineksen reaktiivinen ominaispinta-ala suhteessa sen massaan on
hyvin suuri ja sen mukana pelloilta voi kulkeutua huomattavia määriä fosforia.
Märkäseulonnassa neljä grammaa (kuiva-ainetta) 2-5 mm:n muruja punnittiin
seulontakuppiin, jonka silmäkoko oli 0,25 mm. Muruja kastettiin 3 minuutin ajan 100 ml
deionisoitua vettä. Märkäseulonnan jälkeen vesi sekä siihen irronnut maa-aines siirrettiin
sentrifugi-putkeen ja jätettiin laskeutumaan 21 tunniksi. Seuraavana päivänä mitattiin sameus
eli turbiditeetti (NTU) sentrifugi-putken pinnalta otetusta vesinäytteestä. Mittauksen jälkeen
koko vesi-maasuspensio sentrifugoitiin ja supernatantin poistamisen jälkeen fugiputkeen
jäänyt maa-aines uunikuivattiin ja punnittiin.
Tulokset
Eri maankäyttöihin jaettujen maanäytteiden savesprosentit eivät poikenneet merkitsevästi
toisistaan. Korkeimmat orgaanisen hiilen pitoisuudet mitattiin metsämaista. Vedenkestävien
murujen määrä oli suurin metsämaissa ja pienin säännöllisesti kynnetyissä maissa.
Märkäseulonnassa veteen irronneen kolloidisen aineksen määrää kuvaava sameus korreloi
negatiivisesti maan orgaanisen hiilen määrän kanssa ja positiivisesti savesprosentin kanssa.
Viljelemättömien maiden osalta saves/hiili-suhde selitti hyvin sameutta (kuva 1).
Viljelymaiden osalta yhteys ei ollut yhtä selvä johtuen todennäköisesti suurista eroista
tutkittujen maiden viljelyhistoriassa. Tulokset viittaavat orgaanisen ainekseen tärkeään rooliin
savimaan rakenteen stabiloijana. Mitä savisempi maa, sitä enemmän tarvitaan orgaanista hiiltä
hillitsemään maa-aineksen erodoitumista. Saves/hiili-suhteen ollessa sama, viljelymaista irtosi
pääsääntöisesti enemmän kolloidista ainesta kuin viljelemättömistä maista, mikä osaltaan
osoittaa peltoviljelyn heikentävän savimaan mururakennetta.
108
Sameus
NTU
140
Metsä/nurmi
Suorakylvö
Kyntö
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
Saves% /C%
Kuva 1. Save/hiili-suhteen ja märkäseulonnassa veteen irronneen sameutta aiheuttavan kolloidisen aineksen
määrän (NTU) välinen yhteys maankäytöltään erilaisissa maissa
Kirjallisuus
[1] ClimSoil 2008. Available on the internet (8.11.2012)
http://ec.europa.eu/environment/soil/pdf/climsoil_report_dec_2008.pdf
[2] Puustinen M., Tattari S., Koskiaho J. & Linjama J. 2007. Influence of seasonal and annual
hydrological variations on erosion and phosphorus transport from arable areas in Finland.
Soil and Tillage Research 93, 44-55.
109
Voidaanko happamien sulfaattimaiden kuormitusta vähentää säätämällä
pohjaveden pinnan tasoa?
Potential to reduce nutrient loading from acid sulfate soils by regulating the groundwater
level
Jaana Uusi-Kämppä1, Kristiina Regina1, Seija Virtanen2, Peter Österholm3, Merja Mäensivu4,
Rainer Rosendahl5, Markku Yli-Halla2, Kari Ylivainio1 ja Eila Turtola1
1
MTT, Kasvintuotannon tutkimus, Planta, 31600 Jokioinen
Maaperä- ja ympäristötiede, PL 27 (Latokartanonkaari 11), 00014 Helsingin yliopisto
3
Åbo Akademi, Geologi och mineralogi, Tuomiokirkontori 1, 20500 Turku
4
Etelä-Pohjanmaan ELY-keskus, PL 262, 65101 Vaasa
5
ProAgria Österbottens Svenska Lantbrukssälskap, Handelsesplananden 16D, 65100 Vaasa
2
Johdanto
Rannikkoalueella esiintyviltä happamilta sulfaattimailta purkautuu sulfidikerrosten
hapettumisen seurauksena happamia vesiä, jotka sisältävät myös metalleja ja ravinteita.
Maista vapautuu lisäksi kasvihuonekaasuja, kuten typpioksiduulia (N2O). Maan kohoaminen
ja varsinkin ojittaminen ovat kuivattaneet sulfidisavia ja aiheuttaneet niiden hapettumista.
Sulfidikerrosten hapettumista voidaan kuitenkin estää rajoittamalla hapen pääsyä maahan
pitämällä pelkistyneet sulfidit veden kyllästäminä. Sulvalla Söderfjärdenin pilottikentällä on
mitattu päästöjä eri tavoin ojitetuilla peltoalueilla EU Life+ CATERMASS -hankkeessa
2010–2012. Kentällä on toteutettu vaihtoehtoisesti joko 1) tavanomainen salaojitus (putket n.
1,1 m:n syvyydessä), 2) säätösalaojitus tai 3) säätösalaojitus, johon pumpataan lisävettä
kuivalla kaudella (säätökastelu) [1]. Tavoitteena on selvittää, vähentääkö pohjaveden pinnan
nosto ravinnekuormitusta ja onko siitä hyötyä tai haittaa viljelykasveille.
Aineisto ja menetelmät
Säätökastelussa salaojastoon pumpattiin vettä viereisestä ojasta 31 mm kesällä 2011 ja 48 mm
kesällä 2012. Pellon reuna-alueille ja lohkojen väliin asennettiin muovikalvo 1,8 m:n
syvyyteen asti estämään veden virtaamista pois lohkoilta. Koepellolla viljeltiin kevätvehnää
(2011) ja ohraa (2012). Syksystä 2010 lähtien on jatkuvatoimisesti mitattu virtaamaa, pH:ta ja
johtokykyä salaojavedestä sekä pohjaveden pinnan tasoa, maan lämpötilaa ja kosteutta.
Keväästä 2012 alkaen säätökastelulohkolla mitattiin jatkuvatoimisesti myös salaojaveden
nitraattityppipitoisuutta. Tuloksia voi seurata osoitteesta http://www.ehp-data.com tai
hankkeen kotisivuilta http://www.catermass.fi. Jatkuvatoimisten mittausten lisäksi syksyllä ja
keväällä salaojavalunnasta on otettu näytteitä kahden viikon välein. Näytteistä on määritetty
mm. kok-N, NO3--N, NH4+-N, kok-P, PO43--P, SO42-, Al, pH, asiditeetti ja johtokyky. Myös
maasta ja sadosta on mitattu ravinteita ja muita alkuaineita (N, P, K, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn, Cr,
As, Cd, Pb, Co, Mo, Ni, S ja Se). Kasvihuonekaasupäästöjä (N2O, CO2 ja CH4) on seurattu 2–
4 viikon välein lokakuusta 2010 lokakuuhun 2011 ja kesäkuusta 2012 joulukuuhun 2012.
Tulokset
Salaojaveden kokonaistyppipitoisuudet olivat suuria (8–35 mg l-1). Keskimäärin 90 % typestä
oli NO3--N-muodossa. Keväällä 2012 jatkuvatoimisten mittausten mukaan NO3--N:n pitoisuus
oli 23–26 mg l-1, joka on yli kaksinkertainen verrattuna STM:n asetuksessa (401/2001)
annetun talousveden enimmäispitoisuuteen (11 mg l-1). Kun huhtikuun valunta (110 mm ha-1)
otetaan huomioon, NO3--N-kuormaksi saadaan 25 kg ha-1 yhden kuukauden aikana.
Ammoniumtypen (52–500 µg l-1) ja kokonaisfosforin (14–65 µg l-1) pitoisuudet eivät olleet
suuria.
Säätökastelulohkolla sulfidikerrokset pysyivät kesäaikana paremmin veden kyllästäminä kuin
muilla käsittelyillä [2]. Salaojaveden pH vaihteli välillä 3,9–4,4. Säätökastelulohkolla oli
110
havaittavissa pientä pH:n nousua verrattuna muihin käsittelyihin, minkä seurauksena myös
asiditeetti ja alumiinipitoisuus olivat hieman alhaisempia kuin muilla käsittelyillä [1].
Typpioksiduulipäästöt Söderfjärdenin kentällä olivat 2–3-kertaiset verrattuna orgaanisten
maiden vastaaviin päästöihin. Hiilidioksidin ja metaanin päästöt eivät poikenneet muilta
maalajeilta mitatuista päästöistä. Kesällä 2012 mitattiin N2O-pitoisuuksia myös maasta.
Heinäkuussa tehdyn mittauksen mukaan pitoisuus oli 70 cm:n syvyydessä suurempi kuin 30
cm:n syvyydessä. Säätösalaojituksessa mitattiin suurempia N2O-pitoisuuksia kuin
tavanomaisessa salaojituksessa.
Vaikka jankon pH oli 5,4–6,5, muokkauskerroksessa pH oli kalkituksen ansiosta korkeampi
(6,6–7,1). Maan NO3--N:n (24–35 kg ha-1) ja NH4+-N:n (10–16 kg ha-1) määrät olivat
suurempia kuin yleensä viljeltäessä ilman kotieläinlannan käyttöä [3]. Sen sijaan maan
makro- ja hivenravinteiden pitoisuudet olivat tyypillisiä maillemme. Erot lohkojen välillä
olivat peräisin erilaisesta viljelyhistoriasta, esimerkiksi säätösalaojituslohkoilla oli viljelty
aiemmin sokerijuurikasta, ja maan fosforiluku oli aikaisemman lannoituksen takia suurempi
kuin tavanomaisesti salaojitetulla lohkolla. Kevätvehnän (4700–5000 kg ha-1) ja ohran (4500–
4800 kg ha-1) ja kuiva-ainesadot olivat yli keskimääräisten satojen. Alustavien tulosten
mukaan lohkojen välillä ei havaittu eroja hehtolitra- tai 1000 jyvän painoissa eikä jyvien
ravinne- tai metallipitoisuuksissa. Ohran (70–80 kg ha-1) ja vehnän (130 kg ha-1) typenotto oli
suurta verrattuna lannoitteena annetun typen määrään (ohralle 92 kg ha-1 ja vehnälle 108 kg
ha-1).
Johtopäätökset
Suuret typpipäästöt veteen ja ilmaan sekä negatiivinen typpitase kertovat siitä, että tutkitussa
maassa oli paljon nitraattimuotoista typpeä. Alustavien tulosten mukaan pohjaveden pinnan
nostolla saattaa olla positiivisia vaikutuksia pH:n nousuun, huuhtoutuvien metallien määrän
vähenemiseen ja N2O-päästöjen pienenemiseen. Muutokset maassa ovat hitaita, ja siksi
seurantaa kentällä tulisikin jatkaa vielä muutaman vuoden ajan. Samalla voidaan selvittää,
onko korkeasta pohjaveden pinnasta hyötyä tai haittaa viljelykasveille ja pysyvätkö
typpipäästöt veteen jatkuvasti korkeina.
Kirjallisuus
[1] Virtanen, S., Simojoki, A., Uusi-Kämppä, J., Österholm, P. ja Yli-Halla, M. 2013.
Happaman sulfaattimaan valumaveden asiditeetti ja alumiinipitoisuudet lysimetrikokeessa ja
Söderfjärdenin koekentällä. Maaperätieteen Päivät 2013, Pro Terra, Tämä numero.
[2] Uusi-Kämppä, J., Ylivainio, K., Regina, K., Österholm, P., Rosendahl, R., Westberg, V.,
Mäensivu, M., Virtanen, S., Yli-Halla, M. ja Turtola, E. 2012. Korkeampi pohjaveden pinta
ratkaisu happamien sulfaattimaiden päästöille? In: Schulman ja Kauppinen (eds.).
Maataloustieteen Päivät 10.–11.1.2012. p. 28: 7p. http://www.smts.fi/Ymparisto/UusiKamppa_Korkeampi.pdf
[3] Uusi-Kämppä, J., Mäensivu, M., Westberg, V., Regina, K., Rosendahl, R., Virtanen, S.,
Yli-Halla, M., Ylivainio, K., Österholm, P. ja Turtola, E. 2012. Greenhouse gas emissions and
nutrient losses to water from an acid sulphate soil with different drainage systems.
Proceedings of the 7th International Acid Sulfate Soil Conference, Vaasa, Finland, 26.8.–
1.9.2012.
Geological
Survey
of
Finland
Guide
56:
141–143.
http://arkisto.gtk.fi/op/op56/op_056.pdf.
111
Happaman sulfaattimaan valumaveden asiditeetti ja alumiinipitoisuudet
lysimetrikokeessa ja Söderfjärdenin koekentällä
Comparison of acidity and aluminium concentrations in the discharge water of AS soil in a
lysimeter study and in a field experiment
Seija Virtanen1, Asko Simojoki1, Jaana Uusi-Kämppä2, Peter Österholm3 ja Markku YliHalla1
1
Maaperä- ja ympäristötiede, PL 27 (Latokartanonkaari 11), 00014 Helsingin yliopisto
MTT, Kasvintuotannon tutkimus, Planta, 31600 Jokioinen
3
Åbo Akademi, Geologi och mineralogi, 20500 Åbo
2
Johdanto
Happamilta sulfaattimailta purkautuu happamia, runsaasti metalleja sisältäviä valumavesiä
vesistöihin. Pohjaveden korkeuden vaikutusta valumaveden happamuuteen tutkittiin
Helsingin yliopistolla lysimetrikokeessa. Salaojitetun, säätösalaojitetun ja siihen yhdistetyn
lisäveden pumppauksen vaikutusta salaojaveden laatuun seurattiin myös käytännön
viljelyksillä EU Life+ CATERMASS hankkeen koekentällä Söderfjärdenissä, Sulvassa. Tässä
tutkimuksessa verratttiin lysimetrikokeen ja kenttäkokeen tuloksia toisiinsa. Hypoteesina oli,
että lysimetrikokeessa havaittu valumaveden asiditeetin ja alumiinipitoisuuksien
pieneneminen normaaliin salaojitukseen verrattuna havaitaan myös säätösalaojitetulla ja
lisävettä saaneella pellolla.
Aineisto ja menetelmät
Lysimetrikoe tehtiin Helsingin yliopistolla vuosina 2008 - 2010. Kokeessa oli 10 lysimetriä,
jotka koostuivat happamasta sulfaattimaasta otetuista 80 cm korkeista monoliiteista ja sen
päällä olevasta 20 cm:n paksuisesta muokkauskerroksen maasta. Monoliitit sisälsivät
hapettuneen ja pelkistyneen maakerroksen, ja ne kaivettiin Helsingin yliopiston Viikin
tutkimustilan pellolta [1]. Kokeessa oli kaksi erilaista vedenkorkeuskäsittelyä, matala (LWC)
ja korkea pohjavesi (HWC). LWC:ssä maa sai vapaasti kuivaa pelkistyneeseen kerrokseen
saakka, kun taas HWC:ssä koko happaman sulfaattimaan monoliitti muokkauskerrokseen asti
oli veden alla. Molemmissa käsittelyissä oli neljä lysimetriä, joissa kasvina oli ruokohelpi.
Lisäksi kokeessa oli kaksi kasvitonta korkean pohjaveden lysimetriä. Kokeen olosuhteet oli
järjestetty vastaamaan pellon ilmasto-olosuhteita, ja niitä kasteltiin keinosadevedellä.
Vuonna 2010 Söderfjärdenin happamalle sulfaattimaalle perustettiin 18,5 ha:n koekenttä,
jossa tutkittiin kolmella vierekkäisellä peltolohkolla 1) tavallisen salaojituksen, 2)
säätösalaojituksen ja 3) säätökastelun vaikutusta pelloilta purkautuvan salaojaveden laatuun.
Säätösalaojituksessa kaivojen padotuskorkeus säädettiin puoli metriä maan pinnan alapuolelle
kevättöiden jälkeen. Säätökastelussa pohjaveden korkeutta ylläpidettiin pumppaamalla
lisävettä salaojiin. Pohjaveden virtaus lohkolta toiselle oli estetty maahan kaivetun muovin
avulla [2]. Koepelloilla viljeltiin ohraa ja kevätvehnää.
Tulokset
Lysimetrikokeessa huokosveden pH pysyi matalana ja laski entisestään LWC:ssä. Sitä vastoin
HWC:ssä pH nousi: esimerkiksi happamimmassa kerroksessa kokeen alkutilanteen pH 3,6
nousi arvoon 4,8. LWC:ssä aiemmin hapettuneet maakerrokset pysyivät hapettuneina, mutta
HWC:ssä nämä kerrokset pelkistyivät. Kasvittomassa koejäsenessä pelkistyminen oli hidasta.
Sulfideja sisältävän pohjamaan hapettumista tapahtui LWC:ssä kesäisin, mutta HWC:ssä
pohjamaa pysyi pelkistyneenä koko koejakson ajan. LWC:ssä valumaveden
alumiinipitoisuudet olivat satakertaisia HWC:n valumaveden pitoisuuksiin verrattuna.
HWC:ssä valumaveden rautapitoisuudet nousivat korkeiksi raudan pelkistymisen
seurauksena, ja tästä syystä myös asiditeetit pysyivät korkeina (6.3 ± 0,5 mmol H+ dm-3,
112
keskiarvo ± keskivirhe). Kuitenkin LWC:n asiditeetit olivat vielä korkeampia (8.1 ± 0,8 mmol
H+ dm-3).
Söderfjärdenin koekentät perustettiin vuonna 2010. Ensimmäisenä koevuonna valumavesien
monitoroinnilla tutkittiin, miten samankaltaisia alueet olivat. Varsinaiset pohjavesikäsittelyt
aloitettiin vasta vuonna 2011. Vuosi 2011 oli poikkeuksellisen kuiva. Säätöojituksella ei
pystytty pitämää pohjavedenpintaa sulfidikerrosten yläpuolella koko kasvukautta, mutta
hapettumiselle mahdollinen ajanjakso oli kuitenkin lyhyempi kuin normaalilla kuivatuksella.
Säätökastelulla (pumpattu vesimäärä oli 31 mm, 310 m3 ha-1) sulfidikerros pysyi pohjaveden
alapuolella koko kasvukauden 2011 lukuun ottamatta pellon yläreunaa. Vuonna 2011 suuria
eroja koejäsenten pH arvoissa ei voitu havaita, mutta valumaveden asiditeetti oli pienin
säätökastellulla lohkolla (2,4 ± 0,2 mmol H+ dm-3) ja suurin normaalin salaojituksen lohkolla
(2,9 ± 0,3 mmol H+ dm-3). Samoin valumaveden alumiinipitoisuudet olivat suurimmat
normaalin salaojituksen (15,6 ± 1,4 mg dm-3) ja pienimmät säätökastelun (12,1 ± 1,0 mg dm-3)
lohkolla.
Kuva 1. Valumaveden alumiinipitoisuus ja asiditeetti lysimetreissä ja Söderfjärdenin
koekentällä. Harmaa tausta osoittaa ajankohdan ennen käsittelyjen aloitusta. Huomaa erilaiset
y-akselit.
Johtopäätökset
Lysimetrikokeessa pohjaveden korkeuden nostaminen aiheutti huokosveden pH:n nousun ja
veden alle jääneiden maakerrosten pelkistymisen, mikä pienensi valumaveden
asiditeettihuippuja ja alumiinipitoisuuksia verrattuna normaaliin kuivatukseen. Samanlainen
kehitys on havaittavissa Söderfjärdenin koekentällä, jossa pienimmät asiditeetit ja
alumiinipitoisuudet olivat säätökastellulla lohkolla. Pohjaveden korkeuden vaikutus hapon
muodostumiseen ja metallikuormitukseen tuli selvästi esille lysimetrikokeessa, koska
olosuhteet siinä olivat tarkasti kontrolloituja ja mukana olivat kaikista kriittisimmät
maakerrokset. Kentällä pohjaveden korkeuden nostamisen vaikutukset olivat huomattavasti
vähäisempiä vuonna 2011, mutta samansuuntaisia.
Tulokset tukevat käsitystä, että
pohjaveden nostaminen voi parantaa valumaveden laatua pienentämällä happamuushuippuja
ja pienentämällä myrkyllisiä alumiinipitoisuuksia happamien sulfaattimaiden valumavesissä.
Kirjallisuus
[1] Virtanen, S., Simojoki, A., Yli-Halla, M. Pohjaveden korkeudenvaikutus happamien
sulfaattimaiden maaveden sähkönjohtavuuteen. Maaperätieteen Päivät 2009, Pro Terra,
41:122-123.
[2] Uusi-Kämppä, J., Turtola, E., Regina, K, Ylivainio, K, Österholm, P, Yli-Halla, M.,
Virtanen, S. ja Nuotio, E. 2011. Tools for environmental risk mitigation of acid sulphate soils.
24th NJF Congress, Uppsala 14.–16.6.2011. NJF report 7:3, p. 103.
113
Changes in Nitrogen and Phosphorus Concentration and Loads between
1985-2006 in 22 Finnish Rivers
José Enrique Cano Bernal1 and Katri Rankinen2
1
2
Suomen Ympäristökeskus (SYKE), [email protected]
Suomen Ymparistökeskus (SYKE), [email protected]
Nitrogen and phosphorus are indispensable elements for life, on condition that they are not in
excess, which would produce eutrophication.
The Baltic Sea presents certain characteristics that emphasize this problem. It is a very
populated catchment, which means that the human activities become an important factor in
this catchment, making the water quality decrease.
Considering the influence, importance and consequences of eutrophication in the Baltic Sea,
the aim of this project is to study the nitrogen and phosphorus concentration and loads
development of 22 rivers in Finland. This is done in order to be able to investigate how the
loads into the sea have been changing during the period between 1985 and 2006, when
considering the primary source, that is, the rivers.
Catchments and location
Catchments characteristics
LOADS RESULTS
Results for both nitrogen and phosphorus are presented in graphics. In the ordinate axis, on
the left, the load values are shown in kg/km2/yr. Each color in the bar diagram represents one
of the 5 different possibilities to obtain the load values for nitrogen and phosphorus, the
method 2 being the most reliable.
Nitrogen
Porvoonjoki reached the highest value of 1204,26 kg/km2/yr in the second period studied
(1990-1994). In the same river, despite it having the highest value, the trajectory is
descending. It is also interesting to consider at the relationship between mean flow and the
load value. From this data, one could conclude that the higher the mean flow is, the higher the
load value is.
In Ähtävänjoki the lowest value is found between 1995 and 1999: 161,33 kg/km2/yr. In this
river the mean flow curve remains stable with a small descending trajectory in the period
between 1994 and 2006
114
Highest Values
Lowest Values
Porvoonjoki
Ähtävänjoki
Phosphorus
The highest value for phosphorus is found in Uskelanjoki. In this river, in the third period
(1995-1999), the highest value is 99,62 kg/km2/yr.
Ähtävänjoki: The minimum value is a bit lower than 8 kg/km2/yr (7,76 kg/km2/yr) in the
period between 1995 and 1999.
Highest Values
Lowest Values
Method 1
- load
(kg/km2/
yr):
Method 2
- load
(kg/km2/
yr):
Uskelanjoki
Ähtävänjoki
STATISTICAL CONCENTRATION RESULTS
The main aim of this statistical study is to filter out the effects of discharge on the
concentration in order to get more reliable statistical conclusions. For this purpose, the results
that are statistically significant show that the variations in the concentration, whether
increasing or decreasing, are not a product of the relationship between discharge and
concentration.
Values in yellow are significant for nitrogen. Values in green are significant for phosphorus.
115
Ihmisen toiminnan vaikutuksia pinta- ja pohjaveden sähkönjohtavuuteen
ja lämpötilaan
Some influences of human activity on the electrical conductivity and temperature of surface
and ground water
1
1
Pekka Hänninen , Janne Kankkunen2, Juha Majaniemi ja Raimo Sutinen3
1
Geologian tutkimuskeskus, ESY
Geologian tutkimuskeskus, ISY
3
Geologian tutkimuskeskus, PSY
2
Johdanto
Suomen pohjavesiesiintymät ovat ohuita ja järvet matalia eivätkä ne ole alueellisestikaan
suuria. Koska nämä vesialtaat ovat vähävetisiä, ne ovat herkkiä ympäristön muutoksille.
Pohjaveden otto aiheuttaa luonnottoman negatiivisen potentiaalieron ympäristöönsä nähden,
mikä edelleen muuttaa koko esiintymän veden virtaussuuntia. Pohjaveden alapuolelle ulottuva
kaivostoiminta muuttaa kalliopohjaveden liikettä ja avaa uutta reagoivaa pinta-alaa. Nämä
vaikuttavat veden happamuuteen ja ionipitoisuuteen vielä vuosikymmeniä toiminnan loputtua.
Kaupungit ja tuotantolaitokset lämmittävät ympäristöään ja lähivesistöjä.
Geologian tutkimuskeskus on kartoittanut vuosina 2005 ja 2006 ERAC ja Geo-Satakunta
hankkeissa Porin Kolpaneenlahden, Sotkamon Nuasjärven ja Luikonlahden Petkellahden
pintavesien sähkönjohtavuus- ja lämpötilajakaumia sekä vertikaali- että lateraalisuunnissa ja
monitoroinut vuosina 2010 – 2012 Polaris –hankkeessa Mikkelin Pursialan vedenottamon
vaikutusta pohjaveden pinnan tasoon, veden lämpötilaan ja sähkönjohtavuuteen.
Mittaukset
Pintaveden mittauksia varten liitettiin tiedonkeruulaitteeseen lämpötila-, sähkönjohtavuus- ja
paineanturit. Paineanturin tarkoituksena oli mittaussyvyyden kontrollointi sekä pistemäisissä
luotauspisteissä syvyyden tallentaminen. Paikannukseen käytettiin tarkkuus GPS –laitetta.
Mittausten alussa synkronoitiin laitteiden kellot ja mittaustaajuus.
Tulosten perusteella tehtiin interpoloidut kartat, joissa
näkyi selvästi sähkönjohtavuus tai lämpötilahäiriön
aiheuttajat ja häiriöalueiden laajuus. Geo-Satakunta
hankeessa tehdyssä pintaveden lämpötila kartassa
(kuva 1) näkyy kuinka kylmä Kokemäenjoen lämpimän
Selkämeren vedet sekoittuvat. Kuvassa on nuolella
merkitty tuotantolaitoksen aiheuttama positiivinen
lämpötilahäiriö.
Vastaavasti
Nuasjärven
ja
Petkellahden sähkönjohtavuuskartoituksissa näkyi,
kuinka laajalle kaivannaistoiminta nostaa alapuolisen
vesistön ionipitoisuutta.
Polaris -hankkeessa asennettiin automaattinen seuranta
neljään pohjavesiputkeen siten, että ne olivat oletetussa
virtaussuunnassa pumppuasemien yläpuolella 100 –
500 m etäisyydellä. Kolmessa lähimmässä putkessa oli
lämpötila-anturit viidellä ja sähkönjohtavuus kahdella
syvyydellä sekä vedenpinnan korkeuden seuranta.
Kauimmaisessa putkessa seurantaa oli vain yhdellä
tasolla. Mittaukset tapahtuivat 15 min välein.
116
Kuva 1. Kolpaneenlahden
pintaveden lämpötilakartoitus.
Kokemäenjoen kylmä vesi
sekoittuu Selkämeren lämpimään
veteen.
Päivittäin veden pumppausta näkyi kolmessa lähimmässä putkessa, mutta 500 metrin
etäisyydellä ollessa havaintopisteessä näkyi vain suuremmat vedenottomäärien vaihtelut noin
viikon viiveellä. Yhdessä pohjavesiputkessa havaittiin lämpötilan ja sähkönjohtavuuden
oskilloimista vedenoton tahdissa. Pumppauksen aikana veden sähkönjohtavuus laski ja
lämpötila nousi ja päinvastoin. Pohjaveden lämpötilan oskillointi oli niin suurta (>10°C) ja
lämpötilat niin korkeita (>20°C), että yksittäisinä havaintoina tulokset olisi automaattisesti
hylätty mahdottomina (Kuva 2).
Lämpötilan oskillointi johtui siitä, että pumppauksen aikana läheisestä lammesta suotautui
pumppauksen aikana pintavettä pohjaveteen 60 m paksun harjunliepeen läpi. Pumppauksen
aikana syntynyt ’pohjavesikuoppa’ täyttyi pumppauksen loputtua kylmän ja ionipitoisen
pohjaveden työntyessä alhaalta ylöspäin. Pohjaveden lämpötilamaksimi mitattiin
havaintoputkessa noin kuukausi lammessa havaitun veden maksimin jälkeen, minkä
perusteella voitiin laskea pohjaveden todellinen, muuta häiritty, liikenopeus.
2 m ugwl
13 m ugwl
25
12
23
11
21
19
10
Temperature
17
15
9
13
8
11
9
7
7
5
2.5.10
6
11.7.10
19.9.10
28.11.10
6.2.11
17.4.11
26.6.11
Kuva 2. Pohjaveden lämpötila nousi vedenoton vaikutuksesta
anomaaliseksi ja se alkoi oskilloida pumppauksen tahdittamana
kesällä 2010.
Johtopäätökset
Nykyisillä havainnointimenetelmillä voidaan kartoittaa ja monitoroida luotettavasti, tarkasti ja
edullisesti pinta- ja pohjavedessä tapahtuvia muutoksia. Erilaisten häiriölähteiden alkuperä
on, toiminnan jatkuessa, osoitettavissa ja häiriintyneen alueen laajuus tai kesto on
mitattavissa. Havainnointivälin on oltava riittävä häiriön laajuuteen tai kestoon nähden.
117
Östersundomin Husövegenin EM routaseuranta talvella 2012
The EM monitoring of Husöveg road basement frost in eastern Helsinki 2012
Pekka Hänninen1 ja Juha Majaniemi1
1 Geologian
tutkimuskeskus, ESY
Johdanto
Ikirouta-alueita lukuun ottamatta lumipeitteisellä alueella maaperän routiminen on vähäistä, mutta
taajama-alueilla, missä laajoja alueita pidetään lumettomina, roudan etenemistä pyritään
hallitsemaan eristeillä ja muilla rakenteellisilla ratkaisuilla. Ajan kuluessa rakenteet ja eristeet
saattavat kuitenkin pettää. Geofysikaaliset korkeataajuiset EM-menetelmät, kuten maatutkaluotaus,
mahdollistavat rakenteita rikkomattoman ja nopean routaseurannan.
Maatutkaluotaus on herkkä havaitsemaan maaperässä olevia kosteus- eli dielektrisyys(ε)eroja.
Luonnontilaisessa mineraalimaassa on kiviainesta (ε ≈ 7) 50-70 % tilavuudesta lopun ollessa ilman
(ε = 1) ja veden (ε = 81) seos. Maaveden jäätyessä, tai maa-aineksen kuivuessa, maakerrosten
väliset dielektrisyyserot tasoittuvat, mutta sulan- ja jäätyneen maan välinen ero kasvaa. Koska
maatutkaluotaus havaitsee dielektrisiltä rajapinnoilta heijastuneet pulssit, heijastuskerroin R [1],
havaitut heijastukset vaimenevat rajapintojen tasoittuessa.
R = (√ε1-√ε2)/(√ε1+√ε2)
[1]
Maatutkaluotauksessa havainnoidaan aika ja aikaa vastaava signaalin amplitudi. Aika
amplitudikuvaajasta ei voida yksiselitteisesti määrittää routiintunutta maata. Koska
maatutkasignaalin toistettavuus on erittäin hyvä [1], voidaan, vakioimalla käytettävät mittauksen
asetukset, toistoluotauksin seurata väliaineessa tapahtuvia muutoksia.
Mittaukset
GTK asensi Östersundomin Husövegenin alle maaperän vesipitoisuuden ja lämpötilan seurantaaseman syksyllä 2011. Seurantakohdan maa-aines oli karkeaa tienpohjamateriaalia, johon oli
sekoittunut pohjamaasta savea. Ilman lämpötilaa sekä maaperän lämpötilaa ja vesipitoisuutta
monitoroitiin 0,5 h välein syvyyksiltä 10, 20, 30, 40 ja 50 cm. Marraskuussa 2011, kun maa oli sula,
merkittiin tielle kaksi 100 m pituista linjaa, joilla oli kohdistuspisteet 5 metrin välein. Linjat
maatutkaluodattiin kaksi kertaa sekä 1 GHz:n että 400 MHz:n antenneilla. Toistomittauksista tehtiin
residuaalitulosteet. Residuaalituloksen perusteella 1 GHz:n taajuudella ei voida riittävän tarkasti
toistaa 5 m välein merkittyä linjaa, mutta 400 MHz:n antennilla se on mahdollista, joten
toistomittauksiin valittiin vain jälkimmäinen.
Roudan seurantaa varten tehtiin taustaluotaus sulan maan aikana 29.11.2011 (kuva 1 ylempi kuva),
jolloin kaikkien seurattujen maakerrosten lämpötila oli yli nollan ja kerrosten vesipitoisuudet
vaihtelivat ylimmän kerroksen 0,10 cm3cm-3 syvimmän 0,30 cm3cm-3. Taustamittauksen lisäksi
linjat maatutkattiin kahdeksan kertaa välillä 18.1. – 30.4.2011. Kuvan 1 alempi profiili mitattiin
helmikuun 24. päivänä klo 10. Ilman lämpötila oli -1,6°C ja maan lämpötilat vaihtelivat -0,6 – 0,7°C. Maakerrosten laskennallinen vesipitoisuus oli 0,03 – 0,08 cm3cm-3 eli maavesi oli jäätynyt
[2] ja kerrosten väliset vesipitoisuuserot olivat kadonneet.
Kuvan 1 linja alkoi hiekkaiselta alueelta, joka vaihtui 30 m kohdalla tuodun tienpohjan ja savisen
pohjamaan sekoitukseksi. Sen alueen tutkaprofiili, jonne kantavuuden lisäämiseksi on ajettu
karkeaa maa-ainesta, näyttää ’häiriöiseltä’. Kun maakerrokset ovat jäätyivät, kerrosten väliset
118
dielektrisyyserot ja heijastuneen signaalin amplitudit pienenivät. Tutkaprofiili muuttui rauhalliseksi.
Jäätyneen ja sulan maan välille syntyi uusi voimakas rajapinta.
Kuva 1. Östersundomin Husövegenillä tehdyt sulan (ylempi kuva) ja jäätyneen (alempi kuva)
maan maatutkaluotausprofiilit. Jäätyneessä maassa maan rakenteesta johtuvat heijasteet vähenevät
ja routaraja muodostaa uuden voimakkaan rajapinnan. Tierummun aiheuttama paraabeli ( n. 49 m)
nousee ylöspäin ja levenee väliaineen dielektrisyyden pienetessä.
Johtopäätökset
Maatutkaluotauksen toistettavuus on hyvä ja sillä voidaan tutkia maaperässä tapahtuvia ajasta
riippuvia muutoksia. Käytettävän antennitaajuuden ja tutkauksen säätöjen on oltava sopusoinnussa
tutkittavaan asiaan nähden. Tässä esimerkissä monitoroitiin maatutkaluotauksella tienpohjan
jäätymistä ja jäätymisen varmentamiseen käytettiin maaperän monitorointiasemaa. Tulos sopii
kuitenkin perustaksi myös muille maaperässä tapahtuvien muutosten tutkimuksille, sillä dielektriset
rajapinnat voivat pienetä yhtä hyvin maan vettyessä kuin kuivuessa tai maaveden jäätyessä.
Kirjallisuus
[1] Hänninen, P., Majaniemi, J., Sutinen, R. ja Piekkari, M. 2012. Lumen vesiarvon määrittäminen
maatutkaluotauksella. Geologian tutkimuskeskus, Raportti 16/2012, 10 s.
[2] Hänninen, P., Venäläinen, A. ja Sutinen, R. 2005. Maaperän jäätyminen ja
vesipitoisuusmuutokset talvikautena. Vesitalous 1/2005, s. 28–32.
119
Bakteeri-bioreportterit: Helppo ja nopea menetelmä haitta-aineiden
biosaatavan fraktion määrittämiseksi maasta
Bacterial bioreporters: rapid and easy method for detecting the bioavailable fractions of
contaminants from soil
Johanna Muurinen1 ja Marko Virta1
1
Helsingin yliopisto, Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, Pl. 56, 00014 Helsinki
Kemikaalien biosaatavuus ympäristössä
Ympäristöön joutuneiden haitta-aineiden osallistuminen ekologisiin kiertoihin riippuu siitä,
päätyvätkö ne eliöihin. Tällöin näistä aineista aiheutuu eliöille yleensä myös haittaa.
Ympäristössä esiintyy kuitenkin luonnostaan haitallisia ja myrkyllisiä aineita (esim. sulfidi,
arseeni ja elohopea), jotka eivät välttämättä koskaan päädy eliöihin. Lisäksi monet
ihmistoiminnasta peräisin olevat haitta-aineet ovat melko reagoimattomia ympäristön ja
eliöiden kanssa. Tällöin tutkimalla ympäristöön joutuneiden kontaminanttien biosaatavia
osuuksia saadaan tarkempaa tietoa haitta-aineiden aiheuttamasta riskistä, kuin määrittämällä
niiden totaalipitoisuuksia. Maaperätieteessä on kiinnitetty hyvin paljon huomiota kasveille
käyttökelpoisiin ravinteisiin ja haitta-aineisiin ja on olemassa vaara, että ”kasveille
käyttökelpoisen osuuden” näistä aineista ajatellaan olevan sama asia, kuin biosaatava osuus,
esim. (1). Mikrobeilla on useita mekanismeja, joilla ravinteita saadaan assimiloitua, vaikka ne
olisivat sitoutuneet tiukoin kemiallisin sidoksin esimerkiksi oksideihin, mutta haitta-aineita
mikrobit eivät pyri aktiivisesti käyttämään toiminnoissaan. Monet mikrobit ovat kehittäneet
keinoja, joilla ne pystyvät elämään saastuneissa oloissa (erilaiset resistenssit), mutta näissä
tapauksissa kyse on sopeutumisesta haitta-aineisiin, eikä niinkään niiden aktiivisesta
hyväksikäytöstä. Biosaatavuus on siis erilaista riippuen siitä, puhutaanko haitta-aineesta vai
ravinteesta. Oman ryhmänsä muodostavat myös hivenravinteet, jotka ovat välttämättömiä
eliöille pienissä pitoisuuksissa, mutta haitallisia suurina pitoisuuksina (3). Näiden aineiden
aktiiviseen ottoon eliöillä on olemassa erilaisia mekanismeja ja lisäksi nämä aineet saattavat
vaikuttaa toisten aineiden aktiiviseen ottoon ja kuljetusmekanismeihin yllättävällä tavalla (3)
Biosaatavuus ja potentiaalinen biosaatavuus
Ympäristötutkimuksessa biosaatavalla fraktiolla tarkoitetaan yleensä sitä osuutta ympäristöön
joutuneesta kemikaalista, joka osallistuu ekologisiin kiertoihin. Käsite on kuitenkin
moniulotteinen ja vaihtelee tieteenaloittain. Lisäksi määrittelyn tekee vaikeaksi se, ettei
biosaatavaa osuutta aineesta voida tarkasti mitata, sillä se riippuu aineen reagoinnista
ympäristössä, ympäristössä elävistä eliöistä ja ympäristön ominaisuuksista (2). Biosaatavuus
on siis spesifistä kunkin aineen, ympäristön ja ympäristön eliöiden yhdistelmälle (2). Semple
et al. (4) määrittelivät biosaatavuuden seuraavasti: Biosaatavuudella (bioavailability)
tarkoitetaan sitä osuutta tutkittavasta aineesta, joka kulkeutuu jonkin eliön solukalvon/-seinän
läpi siinä ympäristössä, jossa eliö elää. Käsitteen biosaatavuus lisäksi ympäristötutkimuksessa
esiintyy myös käsite ”bioaccessibility” (5). Tämän käsitteen Semple et al. (4) määrittelivät
seuraavasti: tällä fraktiolla tarkoitetaan sitä osuutta aineesta, joka voi kulkeutua jonkin eliön
solukalvon läpi, jos aine tai eliö pääsee toistensa vaikutuspiiriin. Määritelmien ero liittyy
aikaan (4), jolloin jälkimmäinen käsite voitaisiin suomentaa potentiaaliseksi
biosaatavuudeksi. Baker et al. (3) käyttivät englanniksi käsitettä potentiaalinen biosaatavuus
ja heidän määritelmänsä on hyvin lähellä käsitettä ”bioaccessibility”.
Bioreportteri-bakteerit
Bioreportteri-bakteerit ilmaisevat tutkittavan haitta-aineen niiden kasvuympäristössä. Nämä
bioreportterit on kehitetty hyödyntämällä tietoa bakteerien kuljetusproteiineista ja haitta-aineresistenssien säätelymekanismeista geeniteknisin menetelmin, esim. (6) ja (7) ja ne tuottavat
mitattavan signaalin vasteena tutkittavalle aineelle. Signaalina voi toimia luminesenssi, jota
120
tuottaa lusiferaasi-entsyymi. Tällöin lusiferaasia koodaava geeni on kloonattu bakteerille.
Bioreportterin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Bioreportterin toimintaperiaate. Analyyttinä toimii elohopea, jonka kuljetusproteiini (T) kuljettaa
soluun sisälle. Elohopea reagoi säätelyproteiinin (R) kanssa, joka käynnistää promoottorigeenin (P) kopioinnin
elohopean vaikutuksesta. Tämä mahdollistaa reportterigeenin kopioinnin, joka tuottaa lusiferaasi-entsyymiä
koodaavan mRNA:n. Lusiferaasi-entsyymi katalysoi valoa (luminesenssiä) emittoivaa reaktiota ja tämä signaali
voidaan mitata.
Biosaatavan osuuden määrittäminen
Biosaatavan osuuden määrittämiseksi ei ole olemassa standardoitua menetelmää (4) ja sen
määrittäminen kemiallisesti on haastavaa siksi, että kemialliset uuttomenetelmät eivät vastaa
kasvien tai mikrobien assimiloivia osuuksia (2). Käytettäessä kemiallista menetelmää, on
tunnettava paljon muuttujia ympäristöstä ja tutkittavan kemikaalin ympäristökäyttäytyminen.
Tällöinkin saadaan vain valistunut arvio siitä, mikä voisi olla kemikaalin biosaatava osuus.
Lannoitustutkimuksissa on perinteisesti käytetty paljon kasvien kasvatuskokeita
(astiakokeita). Nämä kokeet perustuvat ajatukseen, että annetaan kasvin itsensä näyttää, miten
paljon se kykenee tutkittua ravinnetta ottamaan lannoitteesta. Tätä samaa ajatusta on
sovellettu bioreportteri-bakteerikantojen kehittämisessä: solu itse kertoo, kuinka paljon
tutkittavaa ainetta se on saanut sisäänsä. Bioreportterien käyttö mittaamisessa on myös hyvin
yksinkertaista: haetaan näyte (esim. saastunut maa tai sedimentti), tehdään (vesi)liuos,
lisätään bakteerisolut, inkuboidaan ja mitataan luminesenssi. Bioreporttereiden käytössä on
kuitenkin myös kehittämiskohteita, etenkin jos tutkitaan saastuneita maita. Mittaus on tehtävä
liuoksesta, joka taas muuttaa maan olosuhteita radikaalisti (esim. ionivahvuus voi muuttua).
Tämä taas voi oleellisesti vaikuttaa kemikaalin sitoutumislujuuteen ja näin ollen lisätä
biosaatavan fraktion suuruutta. Maaperätiedon hyväksikäyttö bioreportterien ja niiden
mittaussovellusten kanssa voisi kuitenkin ratkaista tämänkin ongelman
Kirjallisuus
[1] Sposito, G. 1989. The Chemistry of Soils. Oxford University Press, New York. 277 s.
[2] Naidu, R. (Toim.), Bolan, N.S, Megharaj, M., Juhasz, A.L, Gupta, S.K, Clothier, B.E &
Schulin, R. 2008. Chemical bioavailability in terrestrial environment. Developments in Soil
Science 32. 809 s. Elsevier, Oxford, UK.
[3] Baker, S., Herrchen M., Hund-Rinke, K., Klein, W., Kördel, W., Peijnenburg, W. &
Rensing, C. 2003. Underlying issues including approaches and information need in risk
assessment. Ecotoxicology and Environmental Safety 56: 6–19.
[4] Semple, K., T., Doick, K., J., Jones, K., C., Burauel, P., Craven, A. & Harms, H. 2004.
Defining bioavailability and bioaccessibility of contaminated soil and sediment is
complicated. Environmental Science and Technology 12: 228A–321A.
[5] Alexander, R.R. & Alexander M. 2000. Bioavailability of genotoxic compounds in soils.
Environmental Science and Technology 34: 1589–1593.
[6] Selifonova, O., Burlage, R., Barkay, T., 1993. Bioluminescent sensors for detection of
bioavailable Hg(II) in the environment. Applied Environmental Microbiology 59: 3083–3090.
[7] Ivask, A., Virta, M., Kahru, A. 2002. Construction and use of specific luminescent
recombinant bacterial sensors for the assessment of bioavailable fraction of cadmium, zinc,
mercury and chromium in the soil. Soil Biology & Biochemistry 34: 1439–1447.
121
Alfaproteobakteerit
hiilivetysaasteisiin
maaperässä:
miten
ne
ovat
valmistautuneet
Alphaproteobacteria in soil: how are they prepared for hydrocarbon pollution?
Sajan C. Raju1, Shinjini Mukherjee1 ja Kim Yrjälä1
1
MEM-Group, Department of Biosciences, 00014 - University of Helsinki
Introduction
Polluted soils are an environmental risk. In Finland alone there are over 20 000 polluted sites
and only ca. 300 are remediated yearly. In biodegradation of aromatics the genus
Pseudomonas and Burkholderia [1], from gamma and betaproteobacteria respectively are best
studied. The less studied class Alphaproteobacteria harbors a miscellaneous set of
metabolisms [2], cellular phenotypes and occurs in a wide range of habitats, as phototrophs,
symbionts of plants, animal and plant pathogens; and is also capable of metabolizing C1
compounds. Alphaproteobacteria show a great versatility in adaption to a broad range of
environments and lifestyles, spanning from relatively unspecific association (as rhizospheric
or endophytic strains) to the highly species-specific interaction of rhizobia. Further
Sphingomonas type of bacteria [3, 4] are well suited for living in hydrocarbon polluted
environments and thus it’s of great interest to study the flexibility in alphaproteobacterial
genomes and how they are prepared for living in contaminated environments.
Genome projects are scientific endeavours that aim to determine the complete genome
sequence of an organism and to annotate protein-coding genes and other important genomeencoded features. The first bacterial genome to be sequenced was that of Haemophilus
influenzae, in 1995. Since then the Joint Genome Institute (JGI) has played an important role
in numerous genome projects providing necessary sequencing facilities and resources. Just
very recently with the advent of next generation sequencing technologies and cut down in
sequencing costs even small research groups can have their own genome sequencing projects
[5]. At present 3434 bacterial genomes (http://www.genomesonline.org) have been
sequenced. Catabolic pathways are in the genomes sets of genes encoding enzymes for
degradation of specific hydrocarbons into simple compounds that the cell can use for energy
production and biosynthesis.
Materials and Methods
Published genomes (140) of Alphaproteobacteria class were selected for the study of the
catabolic gene distribution in plasmids, chromosomes or chromids and their movement
within/across the phylum. Genome sequences and metadata were downloaded from various
biological databases (NCBI, Patric etc) for the analysis.
Results and Discussion
The distribution of polyaromatic hydrocarbon degrading genes or pathways across
alphaproteobacteria genomes was studied. The aim of the study was to evaluate the
importance of phylogeny versus habitat while considering the catabolic potential of
alphaproteobacteria. Brucella, an animal pathogen was the most abundant genus in our study
providing genome sequences for bioinformatics analysis. Each studied genus contained
catabolic genes (Table 1). Methylobacterium are known for the use of methanol and
methylamine as well as C2, C3 and C4 compounds for growth. Methylobacterium extorquens
contained open reading frames with significant similarity to genes involved in plant
association in rhizobia and Agrobacterium. Within our set of alphaproteobacterial genomes
microbes isolated from the rhizosphere possessed more catabolic genes compared to those
isolated from other habitats.
122
Table 1: Alphaproteobacteria genomes selected for the study divided into genera, their
habitats and type of catabolic genes found in the bacteria.
Genus
# genomes Habitat
Catabolic genes
Brucella
17
Human, Animal
Bph, hpaD, pca,
Methylobacterium
8
alkB, bedAB, bph, cat12, hmgA, pca
Rhodopseudomonas
7
marine, freshwater,
plants and terrestrial
Aquatic, animal
Rickettsia
7
Insects, animals, human
Pca
Sinorhizobium
6
Rhizosphere
Cat12, catE, dioxygenase, hmgA, pca (plasmids)
Rhizobium
5
Rhizosphere
Dioxygenase, hmgA, pca, tauD (plasmids)
Rhodobacter
5
Marine, soil
extradiol
Agrobacterium
4
Rhizosphere
Dioxygenase, pca, ARHD
Caulobacter
4
aquatic
alkB, hmgA, hpd, NCED, pca, vanA
Anaplasma
3
animal
Dioxygenase, pca
Bradyrhizobium
3
Rhizosphere
Bph, cat12, hmgA, hpd, ligB, pca, tauD, vanA
Candidatus
3
Marine, sludge, animal
Dioxygenase, ligB, tauD
Mesorhizobium
3
Rhizosphere
alkB, hmgA, hpd, pca
Rhodospirillum
3
Marine
alkB, extradiol
Sphingobium
3
Soil, sludge
Bph, ligB, tauD
alkB, cat12, hmgA, extradiol, hpaD, ligB, vanA
Abbreviation: bph - biphenyl 2,3-dioxygenase, bedAB - benzene 1,2-dioxygenase, cat12 – catechol 1,2 dioxygenase, extradiol – extradiol
dioxygenase, hpaD - homoprotocatechuate 2,3-dioxygenase, pca - protocatechuate 3,4-dioxygenase, alkB – alkane hydroxylase, hmgA homogentisate 1,2-dioxygenase, ligB - protocatechuate 4,5-dioxygenase, vanA - vanillate monooxygenase, ARHD – aromatic ring
hydroxylating dioxygenase, NCED - 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase, tauD - taurine dioxygenase
References
[1] Pérez-Pantoja, D., Donoso, R., Agulló, L., Córdova, M., Seeger, M., Pieper, D.H., and
González, B. 2012. Genomic analysis of the potential for aromatic compounds biodegradation
in Burkholderiales. Environmental Microbiology 14(5):1091–1117.
[2] Pini, F., Galardini, M., Bazzicalupo, M., and Mengoni, A. 2011. Plant-Bacteria
Association and Symbiosis: Are There Common Genomic Traits in Alphaproteobacteria?.
Genes 2:1017-1032.
[3] Yrjälä, K. Polyphasic Taxonomy, Ecology, and Genetics of Plasmid-encoded Aromatic
cmp-pathway of Strain HV3: a Sphingomonas sp. Dissertationes Biocentri Viikki
Universitatis Helsingiensis 14/1997.
[4] Sipilä, T. Plasmids and aromatic degradation in Sphingomonas for bioremediation :
Aromatic ring cleavage genes in soil and rhizosphere. Dissertationes bioscientiarum
molecularium Universitatis Helsingiensis in Viikki 31/2009.
[5] Metzker M. L. 2012. Sequencing technologies — the next generation. Nature Reviews
Genetics 11:31-46.
123
Luikonlahden kaivosalueen hydrogeologinen mallintaminen
Hydrogeological modelling of the Luikonlahti mining site
Antti Pasanen1, Lauri Solismaa1, Soile Backnäs1 ja Pekka Forsman1
1
Geologian tutkimuskeskus, PL 1237, 70211 Kuopio. [email protected]
Johdanto
Kaivosalueiden virtausmallintaminen on usein ongelmallista johtuen maaperän ja kallioperän
monimutkaisesta rakenteesta sekä rakennettuun ympäristöön tehdyistä muutoksista.
Kaivosalueiden kallioperä on usein ruhjeinen ja siihen on tehty louhoksia ja tunneleita, jotka
vaikuttavat veden virtaukseen. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi Luikonlahden
kaivosalueesta ja sen ulkopuolelta tehtiin hydrogeologinen malli GSI3D-ohjelmalla.
Tutkimuksen tarkoituksena oli mallintaa kaivosalueen hydrogeologiset yksiköt riittävällä
tarkkuudella maa- ja kallioperässä tapahtuvan veden virtauksen tutkimiseksi.
Hydrogeologisen mallin pohjalta alueelle ollaan laatimassa virtaus- ja kulkeutumismallia
kuvaamaan haitta-aineiden kulkeutumisreittejä kaivoksen ympäristössä.
Sijainti
Luikonlahden kaivosalue sijaitsee Kaavin kunnassa, n. 70 km Kuopiosta länteen (KKJ
3586700 6982817). Kaivos ja rikastamo toimivat vuosina 1968–1983, jonka jälkeen
rikastamo on toiminut talkkimalmin rikastamona vuoteen 2006 asti ja avattu uudestaan
vuonna 20121. Rikastamon toiminnasta johtuen alueella on laajat rikastushiekka-altaat, joista
suotautuu hapanta metallipitoista suotovettä ympäristöön (Kuva 1A.). Suotovedet pyritään
ohjaamaan rakennetulle kosteikolle, josta ne kierrätetään takaisin rikastamolle
Mallintaminen
Hydrogeologinen malli tehtiin litologisena mallina, joka painottaa maaperän osalta suuria,
hydrogeologisesti merkittäviä yksiköitä sekä kallioperän osalta kallion pinnan muotoa ja
ruhjevyöhykkeiden sijaintia ja jatkuvuutta. Mallintamisen lähtötiedoiksi on kerätty laaja
aineisto vuosien 2010 ja 2011 aikana. Tämä aineisto koostuu noin 50:n maaperäkairauksen ja
pohjavesiputken tiedoista sekä laajoista geofysikaalisista mittauksista (DC-IP-mittaukset,
taittumisseismiset
luotaukset,
painovoimamittaukset,
TerraTEM-mittaukset,
omapotentiaalimittaukset ja maatutkaluotaukset). Lisäksi mallin laatimisessa käytettiin
geomorfologista- ja sedimentologista tulkintaa sekä jo olemassa olevaa maaperäkarttaa.
Tutkimusalueen hydrogeologisessa tarkastelussa ja pintavesien virtaamamittauksissa sekä
maaperän pohjaveden geokemiallisissa tutkimuksissa havaittiin, että suurin osa kaivosalueelta
tulevasta vedestä kulkee pintavaluntana. Myös kallioperän ruhjeiden havaittiin vaikuttavan
maaperän pohjaveden laatuun ja suotovesien kulkeutumiseen. Tarkastelussa nousikin esiin
kallioperän ruhjeiden vaikutus veden kulkeutumiseen pitkiä matkoja kaivosalueen
ulkopuolelle. Kallioperän ruhjeisuutta tutkittiin geofysikaalisilla menetelmillä ja suurimpien
ruhjevyöhykkeiden sijainti ja kulku pystyttiin selvittämään. Tutkimustiedon perusteella
voitiin olettaa, että osa ruhjevyöhykkeistä on yhteydessä maaperän pohjaveteen ja näin ollen
toimivat veden kulkureitteinä.
Hydrogeologisessa mallintamisessa ruhjeet mallinnettiin omina yksikköinään (Kuva 1B.)
Tutkimuksen resoluutio ei riitä yksittäisten ruhjeiden ja rakojen mallintamiseen. Lisäksi
virtausmallinnuksessa ruhjevyöhykkeiden laajuudesta johtuen niihin sovellettiin Darcyn lakia
ja niille annettiin yhtenäinen k-arvo2. Kaivostunneleita ei mallinnettu tutkimuksen
resoluutiosta johtuen ja siksi, että ruhjevyöhykkeet leikkaavat tunnelien lähellä aukaisten
vedelle kulkureitin. Maaperästä mallinnettiin moreeni, sora, hiekka, hienohiekka, siltti, turve,
rikastushiekka-altaat ja vedet.
124
Malli siirrettiin kokonaisuudessaan FeFlow-ohjelmistoon. Virtausmallia kalibroitaessa
huomattiin, että näin yksityiskohtaisen mallin kalibrointi on haastavaa, joten malli
yksinkertaistettiin kolmikerrosmalliksi, jossa on kallio, ruhjeet ja irtomaakerros.
Kuva 1. A. Luikonlahden kaivosalueen korkeusmalli ja rikastushiekka-altaiden sijainti. B.
Räjäytyskuva mallinnetusta kalliosta (vaaleanharmaa) ja ruhjevyöhykkeistä (tummanharmaa).
Kirjallisuus
[1] Kylylahti Copper Oy, 2011. Luikonlahden rikastamon ympäristökapasiteetin lisääminen.
Ympäristövaikutusten
arviointiohjelma.
http://www.elykeskus.fi/fi/ELYkeskukset/pohjoissavonely/Ymparistonsuojelu/YVA/paattyneet/luonnonvarat
/Luokonlahdenrikastamo/Documents/Arviointiohjelma_nettiversio.pdf. Viitattu 25.10.2012.
[2] Leveinen, J. 2006. Virtausmallinnus kaivosympäristötutkimuksissa – Esimerkkinä Hituran
kaivos. Geologian tutkimuskeskus, Espoo.
125
DOCin vaihtelu rantavyöhykkeeltä puroveteen eri maankäyttöalueilla
Linkages between riparian zone and stream water DOC in relation to land use
Liisa Ukonmaanaho1, Martin Forsius2, Lauri Arvola3, Markus Hartman1 ja Mike Starr3
1
Metsäntutkimuslaitos, [email protected], [email protected]
Suomen ympäristökeskus, [email protected]
3
Helsingin yliopisto, [email protected], [email protected]
2
Introduction
Increasing trends in dissolved organic carbon (DOC) concentrations in surface waters have
been recently reported in northern Europe and North America. Many different processes have
been proposed to explain increased DOC concentrations, e.g. recovery from acidification,
increased forest production, climate warming and land use change. The loss of terrestrial
organic carbon (OC) to rivers has been estimated to be about 10 % of the net ecosystem
production on land. OC transport is closely connected to land use (vegetation and soil type),
and is largely controlled by hydrological processes. In our study we were particularly
interested to determine how concentrations and characteristics of DOC differ among different
land use/riparian zones.
Materials and method
The study was carried during 2009-2011 in the riparian zone of five different land use sites:
birch and spruce forest, drained and pristine peatland and cultivated field. The sites, except
spruce forest, were located in the Löytynoja catchment (8.0 km2), south Finland (61° 02’ N,
25°00’ E). The undisturbed old-growth spruce forest was located in the Valkea-Kotinen
catchment (0.3 km2) 20 km north from Löytynoja. Open area deposition (BD) was collected
from Valkea-Kotinen and represents deposition at all studied sites. Throughfall (TF) was
collected from the forested sites, soil water (SW) from mineral soil riparian zone, ground
water (GW) from peat riparian zones, stream water, and spring water from the Löytynoja
catchment and lake water from Lake Pääjärvi, into which the stream flows. DOC
concentrations were determined using a Shimadzu TOC-5000A analyzer. Absorbances at 465
nm (E4) and 665 nm (E6) were measured using Shimadzu UV Spectrophotometer and E4/E6
ratios (reflecting the proportion of fulvic to humic acids) calculated. In addition,
concentrations of major nutrients were determined. Here we present the results for the
samples taken during May-November in 2011.
Results and discussion
Overall DOC concentrations in the riparian zone and stream water varied greatly between the
different land use sites. However, highest concentrations were associated with the sites
peatlands (drained and pristine peatland, spruce forest). Peatlands are a principal source of
DOC in boreal fluvial environments. TF DOC concentrations were similar at both forest sites,
while SW and GW DOC concentrations varied with distance from stream (sampling carried
out over a distance of few metres). Lowest average DOC concentrations were in BD and
spring water, as expected. E4/E6 ratios varied between 1.3 and 20.8, the lowest in BD and
highest in GW of the pristine peatland. There was a positive correlation (r=0.84) between
DOC concentrations and E4/E6 ratios. E4/E6 ratios higher than 8 indicate the dominance of
fulvic acids while ratios lower than 5 indicate the dominance of humic acids (greater degree
of humification). As with DOC concentrations, the highest E4/E6 ratios (dominance of fulvic
acids) were associated with peatland riparian waters. The lowest E4/E6 ratios were associated
with BD, spring water, and mineral soil riparian zone and lake waters (indicating dominance
of humic acids).
126
Table 1. Mean DOC concentrations and E4/E6 ratios for the 5 land use/riparian sites (n = 12-40)
Water
sample
Birch forest
Cultivated field
Drained peatland
Pristine peatland
Spruce forest
DOC mg E4/E6
DOC mg E4/E6
DOC
E4/E6
DOC mg E4/E6
DOC mg E4/E6
L-1
ratio
L-1
ratio
mg L-1 ratio
L-1
ratio
L-1
ratio
BD
3.0
1.3
3.0
1.3
3.0
1.3
3.0
1.3
3.0
1.3
Spring
2.3
2.5
2.3
2.5
TF
20.6
6.4
17.5
5.9
18.9
9.0
SW/GW*_dis1).
12.5
4.4
21.4
10.0
38.4
12.0
50.4
20.8
41.4
13.7
SW/GW*_mid2)
19.0
8.2
13.8
8.3
43.4
9.1
31.6
12.3
44.0
15.7
SW/GW*_adj3)
6.3
1.0
11.1
5.4
37.8
13.5
27.6
9.2
48.0
16.6
Stream
5.0
6.4
4.6
6.3
59.2
11.7
Lake
11.3
4.2
11.3
4.2
11.3
4.2
11.3
4.2
* SW (mineral soil) at Löyttyoja birch forest and cultivated field; GW at Löyttyoja drained and pristine peatland and peatland spruce forest at
Valkea-Kotinen; 1)dis.= most distant from stream, 2)mid = middle to stream, 3)adj = adjacent to stream.
127